研究人员为机器人手指带来触觉

哥伦比亚工程学院的研究人员为一款新开发的机器人手指带来了触觉。它能够在大型、多曲面的表面上以极高的精度定位触摸。这种新发展使机器人更接近于达到类似人类的状态。

Matei Ciocarlie 是机械工程和计算机科学系的副教授。Ciocarlie 与电气工程教授 Ioannis (John) Kymissis 合作领导了这项研究。

“长期以来，独立的触觉传感器和完全集成的触觉手指之间存在差距 — 触觉感知在机器人操作中仍然远未普遍，”Ciocarlie 说。“在这篇论文中，我们展示了一款具有准确触摸定位和正常力检测的多曲面机器人手指，适用于复杂的 3D 表面。”

目前将触觉传感器集成到机器人手指中的方法面临许多挑战。难以覆盖多曲面，线路数量多，传感器难以放入小手指尖，这阻碍了其在灵巧手中的使用。哥伦比亚工程学院的团队通过开发一种新方法来解决这些挑战：他们使用了嵌入在手指功能区域的透明波导层中的重叠信号发射器和接收器。

该团队能够获得一组信号数据，这些数据会随着手指由于触摸而发生的变形而改变。他们通过测量每个发射器和接收器之间的光传输来实现这一点。然后，通过使用数据驱动的深度学习方法，从数据中提取了有用的信息，例如接触位置和施加的正常力。该团队能够在不使用分析模型的情况下实现这一点。

通过这种方法，研究团队开发了一款完全集成、传感化的机器人手指，具有低线路数量。它是通过使用易于获取的制造方法构建的，可以轻松集成到灵巧的手中。

该研究已在线发表在 IEEE/ASME 机电一体化交易 上。

该项目的第一部分是使用光来感知触摸。手指下面有一层透明的硅胶，团队从 30 多个 LED 灯中照射光线到这层硅胶中。手指上还有一些光电池，负责测量光线在手指表面上的反弹情况。只要手指与物体接触，手指的皮肤就会变形，光线也会在皮肤下面的透明层中移动。研究人员然后测量每个 LED 灯与每个光电池之间的光线强度，以获得大约 1,000 个信号，每个信号都包含有关接触的信息。

“人类的手指能够提供令人难以置信的丰富接触信息 — 每平方厘米的皮肤中就有超过 400 个微小的触觉传感器！”Ciocarlie 说。“这就是激励我们尝试从我们的机器人手指中获取尽可能多的数据的模型。确保手指所有侧面都被覆盖是至关重要的 — 我们基本上构建了一个没有盲点的触觉机器人手指。”

该项目的第二部分是团队设计数据以供机器学习算法处理。这些数据非常复杂，人类无法解读。然而，当前的机器学习技术可以学习提取特定的信息，例如手指被触摸的位置、触摸手指的物体以及施加的力。

“我们的结果表明，深度神经网络可以以非常高的精度提取这些信息，”Kymissis 说。“我们的设备真正地是一款从一开始就设计为与 AI 算法一起使用的触觉手指。”

该团队还设计了手指，以便它可以用于机器人手中。手指可以收集近 1,000 个信号，但只需要一根 14 根线的电缆将其连接到手中。也不需要任何复杂的外部电子设备来使其功能正常。

该团队目前拥有两只灵巧的手，正在将手指集成到这些手中，他们将使用这些手来展示灵巧的操作能力。

“灵巧的机器人操作现在在制造和物流等领域中是必要的，并且是长期内需要的技术之一，以便在医疗保健或服务领域等其他领域实现个人机器人辅助，”Ciocarlie 说。