機(jī)器人上的觸覺傳感器

前段時(shí)間，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員正式研制出了一款能夠幫助機(jī)械臂抓住敏感或易碎的物體的觸覺傳感器。該傳感器具有高分辨率、高精度和低成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。

人類可以用手撿起易碎或濕滑的物體。我們的觸覺使我們感覺到我們是否牢牢抓住物體或者物體是否會(huì)滑過手指，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)開發(fā)出一種觸覺傳感器，這種觸覺傳感器可以在這種情況下派上用場(chǎng)，并標(biāo)志著他們朝著“機(jī)器人皮膚”邁出的重要一步。工程師指出，該傳感器極其簡單的設(shè)計(jì)使其生產(chǎn)成本低廉。從本質(zhì)上講，它由帶有彩色塑料微珠的彈性硅樹脂“皮膚”和固定在底面上的常規(guī)攝像頭組成。

該傳感器基于視覺：與物體接觸時(shí)，硅皮膚上會(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。

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)的研究小組的博士生Carlo Sferrazza說：“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)器人皮膚使我們可以區(qū)分作用在傳感器表面上的多個(gè)力，并以較高的分辨率和精度對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，我們甚至可以確定作用力的方向?！睋Q句話說，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。

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。

由于彈性硅樹脂是防滑的，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：“當(dāng)物體要滑出手臂的抓力時(shí)，傳感器會(huì)識(shí)別出來，以便機(jī)器人可以調(diào)整其抓力?！?

研究人員還可以使用這種傳感器來測(cè)試材料的硬度或以數(shù)字方式繪制觸摸力度。如果集成到可穿戴設(shè)備中，騎自行車的人可以通過踏板測(cè)量他們對(duì)自行車施加的力，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)于開發(fā)例如虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的觸覺反饋的信息。