低成本機器人“皮膚”登上Nature子刊：實現(xiàn)三維力的自解耦，來自法國國家科學研究中心&香港大學

魚羊 2024-11-23 12:18:29 來源：量子位

CNRS 投稿

量子位 | 公眾號 QbitAI

觸覺是人類感知外部環(huán)境并與之交互的重要知覺形式。

現(xiàn)在，科學家們也正在制作柔性皮膚，試圖將這種能力賦予機器人，使之能完成更為靈巧、復雜的操作。

比如，自適應地穩(wěn)穩(wěn)夾緊一顆雞蛋：

現(xiàn)在流行的柔性觸覺傳感器包括：

• 視觸覺傳感器：廣泛應用于研究領域，可以提供高分辨率的觸覺圖像。
• 基于壓阻或電容的觸覺傳感器陣列，可以檢測壓力分布，且易于制作。

問題是，如何使用簡單的傳感器結構和標定方法實現(xiàn)三維力的解耦仍是一個巨大的挑戰(zhàn)——這意味著這些傳感器通常在結構和制造上仍較為復雜，需要大量的校準過程，這限制了它們的廣泛落地。

為解決這一問題，來自法國國家科學研究中心（CNRS）和香港大學的研究人員提出了一種基于柔性磁膜的觸覺傳感器。

通過設計正交磁化的Halbach陣列，該觸覺傳感器可以實現(xiàn)三維力的自解耦，將標定復雜度從三次方降低到一次方，極大地簡化了傳感器結構以及標定流程，為低成本的三維力觸覺傳感提供了新思路。

△圖1 傳感器結構與原理

相關成果以“A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels”為題，已發(fā)表在Nature子刊《Nature Machine Intelligence》上。

自解耦三維柔性觸覺皮膚

如圖1所示，該觸覺傳感器的主體部分從上往下分為三層：柔性磁膜，彈性硅膠，以及PCB電路板（帶有霍爾傳感器）。

當磁膜在外力作用下發(fā)生變形后，磁膜與霍爾傳感器之間的距離將發(fā)生變化，因此由霍爾傳感器測得的磁場大小及方向也會隨之發(fā)生變化，該三維磁場信息經過解耦算法可以被轉換為三維力信息。

之前的研究表明單面多極正弦磁化的Halbach陣列有二維自解耦的特性，即在x-z平面內，磁感應強度B只和z方向有關，磁場方向RB只和x方向有關，因此可以用于二維力的自解耦。

由于磁場滿足疊加原理，研究人員發(fā)現(xiàn)，將兩個正弦磁化的Halbach陣列磁場進行正交疊加后，二維自解耦的特性在一定條件下通過簡化可以被推廣到三維。

△圖2 Halbach陣列的磁場正交疊加

即B只和z方向有關，Rxz只和x方向有關，Ryz 只和y方向有關，其中B，Rxz，Ryz 在簡化前后的歸一化絕對誤差（NAE）分別為2.88%、3%和4.56%。

基于正交磁化Halbach陣列三維自解耦的特性，三維力Fz、Fx、Fy可以分別通過B、Rxz、Ryz 解耦出來。

為了驗證上述三維力自解耦方法的可行性，研究人員設計并制作了三個具有不同形狀、大小、量程及靈敏度的觸覺傳感器，以用于不同的實際應用。

人工膝關節(jié)三維力分布測量

第一個應用是測量人工膝關節(jié)處的三維力分布：

膝關節(jié)由3D打印而成，下半部分由觸覺傳感器（含24個傳感單元）及ATI六維力/力矩傳感器組成；上半部分由機械臂驅動模擬人類膝關節(jié)的彎曲和滑動。

實驗顯示，觸覺傳感器可以提供實時的三維力分布測量，且測得的合力與真實值（來自ATI傳感器）誤差很小。

觸覺示教機器人制作咖啡

另一個應用是基于觸覺的教機器人制作咖啡。

如下圖所示，研究人員將一個可以檢測力和力矩的3×3觸覺傳感器陣列安裝在了機械夾爪的一端（取矩點為傳感器中心），當操作員輕觸或滑動傳感器表面的時候，傳感器將檢測到相應方向的力和力矩。

該力和力矩乘以一個增益矩陣（gain matrix）之后將被分別轉換為機械臂末端執(zhí)行器的運動增量（移動+轉動），并通過一個阻抗控制器（impedance controller）更新機械臂的末端姿態(tài)。

機械夾爪的開合可由特定的觸覺信號編程控制，如快速上下滑動傳感器表面控制“關閉夾爪”，快速上下?lián)u動所夾物體控制“打開夾爪”。

通過直接和傳感器或所夾物體交互，機械臂及夾爪可以被精確控制并依次完成夾持水杯、倒水：

以及舀取咖啡粉，攪拌咖啡，放回咖啡勺等動作。

在這一過程中示教人員無需按壓示教按鈕（即傳統(tǒng)示教方法），可以直接和物體交互，提供了一種更直觀簡單的示教方式。

示教結束后，機械臂及夾爪只需要重復示教過程中記錄的運動軌跡及開合狀態(tài)即可完成咖啡的制作。研究人員表示由于未使用視覺反饋，軌跡重復階段所有物品的位置都需與示教階段一致，之后可通過引入視覺反饋和AI算法來實現(xiàn)更加智能和通用的模仿學習。

另外，通過編程，可以切換機械臂示教模式和自適應抓取模式（根據切向力實時動態(tài)調整法向夾持力）。

研究人員還展示了柔性PCB基底的觸覺傳感器在可穿戴設備中的應用。如下圖所示，通過將一個具有柔性PCB基底的觸覺傳感單元放置于膝蓋支架（knee brace）內側，我們可以監(jiān)測使用者在日?；顒舆^程中膝蓋支架與腿部的三維接觸力，這展示了三維柔性觸覺傳感器在健康監(jiān)測領域的潛在應用。

本文的作者包括來自法國國家科學研究中心CNRS-LIRMM實驗室的閆友璨（博士后研究員），Ahmed Zermane（博士），Abderrahmane Kheddar教授，以及香港大學的潘佳教授。

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文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s42256-024-00904-9

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