前段時(shí)間，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(簡(jiǎn)稱“ETH”)的研究人員正式研發(fā)出了一款能夠允許機(jī)器人手臂抓取易碎對(duì)象的低成本新型觸覺(jué)傳感器。這款觸覺(jué)傳感器具有高分辨率和高精度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

人類能夠輕松抓取易碎或濕滑的對(duì)象。觸覺(jué)可允許我們判斷自己是否牢牢地抓住了對(duì)象，或者對(duì)象是否會(huì)從手指滑出，從而相應(yīng)地調(diào)整抓取的力度。對(duì)于需要抓取易碎、易滑或表面復(fù)雜的對(duì)象的機(jī)器人手臂，它們同樣需要這樣的反饋。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)器人研究人員針對(duì)所述情況開(kāi)發(fā)了一種觸覺(jué)傳感器，并認(rèn)為是向“機(jī)器人皮膚”邁出的重要一步。工程師們指出，這種傳感器的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，所以制造成本低廉。從本質(zhì)上說(shuō)，它是由一個(gè)帶有彩色塑料微珠的彈性硅膠“皮膚”和一個(gè)貼在下側(cè)的普通攝像頭組成。

1. 使用純光學(xué)輸入的測(cè)量方法

傳感器是基于視覺(jué)運(yùn)作：當(dāng)它與對(duì)象接觸時(shí)，硅膠皮膚會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓痕，并改變微珠的圖案，而傳感器下側(cè)的魚眼鏡頭將進(jìn)行記錄。根據(jù)圖案的變化，系統(tǒng)可以計(jì)算出傳感器的力分布。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與控制學(xué)博士生Carlo Sferrazza表示：“傳統(tǒng)的傳感器只在一個(gè)點(diǎn)注冊(cè)所施加的力。相比之下，我們的機(jī)器人皮膚可允許我們區(qū)分作用在傳感器表面的幾個(gè)力，并以高分辨力和高精確度計(jì)算它們。我們甚至可以確定一個(gè)力的作用方向。”換句話說(shuō)，研究人員不僅可以確定對(duì)傳感器施加的垂直壓力，同時(shí)可以確定橫向的剪切力。

2. 基于數(shù)據(jù)的研發(fā)

為了計(jì)算出哪個(gè)力將微珠推到哪個(gè)方向，工程師們使用了一套完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在通過(guò)機(jī)器控制標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試中，他們研究了不同的傳感器接觸情況。他們能夠精確地控制和系統(tǒng)地改變接觸的位置、力的分布和接觸對(duì)象的大小。在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，研究人員記錄了數(shù)千次接觸的實(shí)例，并將其與微珠圖案的變化精確匹配。

迄今為止，最薄的傳感器原型機(jī)厚度為1.7厘米，測(cè)量面為5×5厘米。不過(guò)，研究人員正在努力利用同樣的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的傳感器表面，并配備多個(gè)攝像頭，從而能夠識(shí)別形狀復(fù)雜的對(duì)象。另外，他們的目標(biāo)是將傳感器做得更薄。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)僅0.5厘米的厚度。

3. 機(jī)器人，體育和虛擬現(xiàn)實(shí)

由于彈性硅膠是防滑材質(zhì)，而且傳感器可以測(cè)量剪切力，所以它非常適合用于機(jī)器人手臂。Sferrazza解釋道：“傳感器能在對(duì)象有可能從機(jī)械臂的抓取力中滑出時(shí)進(jìn)行識(shí)別，這樣機(jī)器人就可以調(diào)整其抓取力。”

研究人員同時(shí)可以用這樣的傳感器來(lái)測(cè)試材料的硬度，或者用數(shù)字化的方式繪制觸感圖。如果集成到可穿戴設(shè)備中，騎自行車的人可以測(cè)量他們通過(guò)腳踏板對(duì)自行車施加的力，或者跑步者可以測(cè)量慢跑時(shí)對(duì)鞋子的作用力。最后，這樣的傳感器可以為需要觸覺(jué)反饋的應(yīng)用提供重要的信息，如虛擬現(xiàn)實(shí)游戲。