在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，ETH研究人員開(kāi)發(fā)了一種新穎而低成本的觸覺(jué)傳感器。該傳感器以高分辨率和高精度測(cè)量力的分布，使機(jī)械臂能夠抓住敏感或易碎的物體。
人類(lèi)可以用手撿起易碎或濕滑的物體。我們的觸覺(jué)使我們感覺(jué)到我們是否牢牢抓住物體或物體是否會(huì)滑過(guò)手指，因此我們可以相應(yīng)地調(diào)整握力的強(qiáng)度。負(fù)責(zé)抓取易碎，打滑或表面復(fù)雜的物體的機(jī)器人抓取臂也需要這種反饋。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種觸覺(jué)傳感器，這種觸覺(jué)傳感器可以在這種情況下派上用場(chǎng)，并標(biāo)志著他們認(rèn)為這是邁向“機(jī)器人皮膚”的重要一步。工程師指出，該傳感器極其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)使其生產(chǎn)成本低廉。本質(zhì)上，它由一個(gè)帶有彩色塑料微珠的彈性硅樹(shù)脂“皮膚”和一個(gè)固定在底面上的常規(guī)攝像頭組成。
使用純光學(xué)輸入進(jìn)行測(cè)量
該傳感器基于視覺(jué)：與物體接觸時(shí)，硅酮皮膚上會(huì)出現(xiàn)凹痕。這會(huì)改變微珠的圖案，該圖案由傳感器下側(cè)的魚(yú)眼鏡頭記錄。根據(jù)圖案的這些變化，可以計(jì)算傳感器上的力分布。
“傳統(tǒng)的傳感器僅在一個(gè)點(diǎn)上記錄施加的力。相比之下，我們的機(jī)器人皮膚使我們能夠區(qū)分作用在傳感器表面上的多個(gè)力，并以很高的分辨率和精度對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，”蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與控制教授Raffaello D'Andrea領(lǐng)導(dǎo)的小組的博士生 Carlo Sferrazza說(shuō)。“我們甚至可以確定作用力的方向，” Sferrazza說(shuō)。換句話說(shuō)，研究人員不僅可以識(shí)別在傳感器上施加垂直壓力的力，還可以識(shí)別橫向作用的剪切力。
觸覺(jué)傳感器原型。來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)
為了計(jì)算哪些力將微珠推向哪個(gè)方向，工程師使用了一套全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在通過(guò)機(jī)器控制進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試中，他們檢查了與傳感器的各種不同接觸。他們能夠精確地控制并系統(tǒng)地改變接觸的位置，力的分布和接觸物體的大小。在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，研究人員記錄了數(shù)千個(gè)接觸實(shí)例，并將它們與磁珠圖案的變化精確匹配。
迄今為止，研究人員已經(jīng)建立的最薄的傳感器原型厚度為1.7厘米，覆蓋5 x 5厘米的測(cè)量表面。但是，研究人員正在使用相同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)配備有多個(gè)攝像頭的較大傳感器表面，從而也可以識(shí)別復(fù)雜形狀的物體。此外，他們的目標(biāo)是使傳感器更薄-他們相信使用現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)僅0.5厘米的厚度。
自動(dòng)測(cè)量。圖片來(lái)源：Sferrazza C等。IEEE Access 2019
硅膠表層下面有微珠，當(dāng)有力作用在它們上時(shí)，攝像機(jī)會(huì)記錄它們的運(yùn)動(dòng)方式。
表層顯示。圖源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院
機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)與虛擬現(xiàn)實(shí)
由于彈性硅樹(shù)脂是防滑的，并且傳感器可以測(cè)量剪切力，因此非常適合用于機(jī)器人抓手臂。Sferrazza解釋說(shuō)：“當(dāng)物體威脅要滑出手臂的抓地力時(shí)，傳感器會(huì)識(shí)別出來(lái)，以便機(jī)器人可以調(diào)整其抓地力。”
研究人員還可以使用這種傳感器來(lái)測(cè)試材料的硬度或數(shù)字化觸摸圖。如果集成到可穿戴設(shè)備中，騎自行車(chē)的人可以通過(guò)踏板測(cè)量他們對(duì)自行車(chē)施加的力，或者跑步者可以測(cè)量在慢跑時(shí)進(jìn)入鞋中的力。最后，這種傳感器可以提供對(duì)于開(kāi)發(fā)例如虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的觸覺(jué)反饋重要的信息。
