分享:

柔性触觉感应机制新进展

2021-09-07 15:48 中国航空报 李周琦珺

机械手指在不同的肌腱张力下表现出不同程度的弯曲和延展。

整个柔性机械手指系统包括手指结构(左)、应变传感器(中)和电机(右)。

近年来,世界各地的许多机器人专家一直在试图研发能够人工复制人类触觉的机器人系统。此外,他们一直在试图使用柔性材料替代刚性结构来创造越来越真实和先进的仿生肢体和人型机器人。

尽管它们具有与纹理相关的优势,由柔性材料制成的机器人手往往无法广泛地收集感官信息。事实上,截至目前,复制人类收集物体触觉信息功能的复杂生物机制仍然充满了挑战。

北京航空航天大学(Beihang University)的研究人员研发了一种新的触觉传感技术,可以应用于由柔性材料制成的机器人手指。这种机制受到本体感觉(proprioception)的启发,其中,本体感觉是一种使哺乳动物察觉或感知其身体位置和运动的生物学机制。

开展这项研究的研究人员之一 Chang Cheng称:“我们论文的灵感是基于在人类身上发现的本体感觉框架,本体感觉判断我们身体的位置和肌腱/关节的负荷。想象一下,当你戴上眼罩并捂住耳朵时,你仍然可以感觉到你手的姿势、手臂的位置,或者一个购物袋有多重,这种能力称为本体感觉。我们一直在进行手部义肢研究项目,我们正在寻找现有手部义肢缺乏感觉反馈的解决方法。”

在过去,机器人技术的研究人员通常不会将本体感觉与触觉联系起来。事实上,人类的本体感觉机制没有特别精确的反应,这可能就是为什么人类不用它来识别物体或表面的纹理。

然而,由于工业传感器比人类本体感受器更敏感,将它们应用于机器人手指可以帮助研究人员收集更精确的触觉反馈。由Cheng和他的同事们创建的原型系统由一个线性执行器、一个肌腱(或电缆)、一个应变传感器和一个在他们之前一篇论文中介绍的柔性机器人手指组成。

Cheng说:“肌腱将手指和执行器连接起来,应变传感器安装在肌腱的中间。”当致执行器工作时拉动肌腱,导致手指弯曲或伸直,肌腱上的应变也相应变化。当手指接触到不同的物体时,传感器将输出一系列的应变信号,以表征被触摸的物体。”

从本质上来说,研究人员设计的技术通过传感器提取特征,随后,使用机器学习工具来解读机器人手指所触摸的表面或物体的纹理和刚性。

Cheng和他的同事使用这一套原型系统进行了一系列测试来评估他们的触觉感知技术。他们发现,他们的技术能够以高精度解读纹理和刚度,其中纹理精度到达了100%,刚性精度到达了99.7%。

“关于仿生手指神经感知的大部分现有研究提出在指尖表面安装传感器,”Cheng说:“虽然这些研究已经取得了一些进展,但这需要指尖传感器和物体之间的精确接触,这在实践中往往无法保证。我们研究的一个关键优势是传感单元位于肌腱上,因此接触手指上的任何位置都会产生可用于推断触觉信息的特征信号输出。”

该团队研究人员引入的新触觉感知方法基于在机器人肌腱上嵌入传感器实现,这种方法以前从未被测试过,并且前景很好。在未来,他们开发的系统可以用于开发更先进的机器人和假肢,可以在不需要完美或精确地接触表面的情况下收集触觉和本体感觉反馈。

“我们现在正在探索这个系统的滑移检测能力,”Cheng说:“当我们人类操纵或抓握物体时,滑移几乎是不可避免的,因此检测和控制滑移对于稳定可靠的操作至关重要。所以,我们相信这个系统非常需要滑移检测的功能,我们的初步实验有了不错的结果。”

除了进一步开发他们的系统外,研究人员还同时与一个著名的纳米技术实验室合作开发一种低成本的触觉传感器,该传感器可以感知力/扭矩信号,并可以被放置在机器人的指尖上。他们已经制造出了该设备的原型机,现在正在评估其性能。

责任编辑:实习编辑