低成本機(jī)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(xué)研究中心&香港大學(xué)
將標(biāo)定復(fù)雜度從三次方降低到一次方
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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(xué)家們也正在制作柔性皮膚，試圖將這種能力賦予機(jī)器人，使之能完成更為靈巧、復(fù)雜的操作。
比如，自適應(yīng)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(yīng)用于研究領(lǐng)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(jié)構(gòu)和標(biāo)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(jié)構(gòu)和制造上仍較為復(fù)雜，需要大量的校準(zhǔn)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(xué)研究中心（CNRS）和香港大學(xué)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(shè)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(biāo)定復(fù)雜度從三次方降低到一次方，極大地簡化了傳感器結(jié)構(gòu)以及標(biāo)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(jié)構(gòu)與原理
相關(guān)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(dāng)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(jīng)過解耦算法可以被轉(zhuǎn)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(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B只和z方向有關(guān)，磁場方向RB只和x方向有關(guān)，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(jìn)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(guān)，Rxz只和x方向有關(guān)，Ryz 只和y方向有關(guān)，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(shè)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(yīng)用。
人工膝關(guān)節(jié)三維力分布測量
第一個應(yīng)用是測量人工膝關(guān)節(jié)處的三維力分布：
膝關(guān)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(jī)械臂驅(qū)動模擬人類膝關(guān)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(jī)器人制作咖啡
另一個應(yīng)用是基于觸覺的教機(jī)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(jī)械夾爪的一端（取矩點(diǎn)為傳感器中心），當(dāng)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(yīng)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(zhuǎn)換為機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動增量（移動+轉(zhuǎn)動），并通過一個阻抗控制器（impedance controller）更新機(jī)械臂的末端姿態(tài)。
機(jī)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(guān)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(jī)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(jié)束后，機(jī)械臂及夾爪只需要重復(fù)示教過程中記錄的運(yùn)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(fù)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(xué)習(xí)。
另外，通過編程，可以切換機(jī)械臂示教模式和自適應(yīng)抓取模式（根據(jù)切向力實時動態(tài)調(diào)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(shè)備中的應(yīng)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(nèi)側(cè)，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(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
本文的作者包括來自法國國家科學(xué)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(xué)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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