MIT開(kāi)發(fā)帶觸覺(jué)柔性機(jī)械手 能靈活操作電線等可變形物體

7月14日，麻省理工學(xué)院在機(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)會(huì)議RSS2020上展示了一對(duì)搭載高分辨率觸覺(jué)傳感器的機(jī)械手，它們能夠靈活操作電纜、電線等可變形物體。研究團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，這是機(jī)器人首次在沒(méi)有其他機(jī)械幫助的情況下實(shí)時(shí)操作電纜。

論文第一作者麻省理工學(xué)院博士后佘宇在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者采訪時(shí)介紹，該機(jī)械手可以應(yīng)用于任何涉及繩索操作的場(chǎng)景，比如工廠里的纜繩、電纜自動(dòng)加工和裝配。

“潛在的應(yīng)用包括任何含有可變形物體的操作，比如鋪床單，穿衣服，疊衣服?！?/p>

他透露，下一步研究團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)行更復(fù)雜繩索的自動(dòng)化操作，也會(huì)開(kāi)展對(duì)更復(fù)雜的可變形物體的自動(dòng)化操作，比如衣服和床單。

這項(xiàng)研究由麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）與機(jī)械工程系合作完成。

雙“手”配合插耳機(jī)線

對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)操作諸如電纜、金屬絲之類(lèi)的可變形柔性物體是困難的。因?yàn)檫@些柔性物體的形狀會(huì)隨著滑動(dòng)而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。而機(jī)器人的“手指”必須不斷感應(yīng)并調(diào)整物體的位置和運(yùn)動(dòng)。

通常，機(jī)器人操作電纜需要在有機(jī)械約束的條件下進(jìn)行，即通過(guò)把繩子放置在桌上等方式，形成準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)，降低電纜的自由度后，機(jī)器人再進(jìn)行操作。

而佘宇所在團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是在沒(méi)有機(jī)械約束的條件下實(shí)時(shí)操作電纜。

他們?cè)诠_(kāi)視頻中演示了這對(duì)機(jī)械手插耳機(jī)線的過(guò)程：“左手”輕輕夾住耳機(jī)線的尾部，“右手”夾住耳機(jī)線一側(cè)并進(jìn)行滑動(dòng)，在感知到插孔時(shí)停止并調(diào)整姿勢(shì)，讓耳機(jī)線插頭對(duì)準(zhǔn)孔位。此時(shí)“左手”手指配合松開(kāi)耳機(jī)線，“右手”隨之將耳機(jī)插頭插入插孔。

視頻顯示，面對(duì)操作過(guò)程中人為造成的外力干擾，機(jī)械手做出了及時(shí)調(diào)整。

機(jī)械手將耳機(jī)插頭插入插孔

佘宇介紹，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了機(jī)械設(shè)計(jì)、觸覺(jué)傳感和控制器設(shè)計(jì)三個(gè)領(lǐng)域來(lái)開(kāi)發(fā)這款機(jī)械手。而最大的亮點(diǎn)在于，其中每一個(gè)具體研究方向都不是特別復(fù)雜，“但是他們結(jié)合在一起能夠解決非常復(fù)雜的問(wèn)題”。

隱藏在“指尖”的觸覺(jué)傳感器

在佘宇看來(lái)，如何有機(jī)地融合機(jī)械設(shè)計(jì)、觸覺(jué)傳感和控制器設(shè)計(jì)這三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域系統(tǒng)也是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中最困難的。因此，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)的每一步過(guò)程中都不斷結(jié)合、考慮三個(gè)領(lǐng)域。比如，在最初進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)，他們就會(huì)考慮后續(xù)的傳感和控制設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，該款機(jī)械手主要由一對(duì)夾具狀的兩指抓爪和機(jī)械臂組成。兩只具有力和位置控制功能的抓爪位置相對(duì)，并能夠迅速移動(dòng)。這對(duì)抓爪被安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂也能夠移動(dòng)。

機(jī)械手系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)機(jī)械手實(shí)時(shí)跟蹤并操作電纜需要滿足多種條件。首先，機(jī)械手需控制抓握力以實(shí)現(xiàn)電纜在抓爪中平穩(wěn)滑動(dòng)；其次，機(jī)械手需要控制其“抓握姿勢(shì)”以防止電纜從抓爪的“指間”掉落。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)觸覺(jué)傳感和控制器設(shè)計(jì)來(lái)解決這些問(wèn)題。

佘宇介紹，傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器的反饋信息非常有限，很難獲取接觸物體的姿態(tài)信息。因此，研究團(tuán)隊(duì)在抓爪的“指尖”安裝了內(nèi)置攝像頭的“Gelsight”觸覺(jué)傳感器。這種內(nèi)置攝像頭的觸覺(jué)傳感器在工作過(guò)程中提供了“非常高維”的反饋信號(hào)，包括接觸物體的位置和姿態(tài)信息。

他表示，雖然最近也有一些機(jī)械手使用了基于相機(jī)的觸覺(jué)傳感器，“但是他們的控制帶寬非常低，做不到實(shí)時(shí)控制”，而MIT這款機(jī)械手是專(zhuān)門(mén)定制的，能夠有效做到實(shí)時(shí)反饋。

根據(jù)傳感器的信息，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了同時(shí)運(yùn)作的兩個(gè)控制器，使機(jī)械手能夠靈巧操作可變形的物體。一個(gè)為電纜夾具控制器，用于調(diào)節(jié)抓力，使電纜能夠在抓爪中平穩(wěn)滑動(dòng)。另一控制器為電纜姿勢(shì)控制器，該控制器能夠保持電纜居于抓爪“手指”的中央。

機(jī)械手操作電纜

基于觸覺(jué)傳感與控制器設(shè)計(jì)，當(dāng)抓爪被安裝在機(jī)械臂上時(shí)，能夠從最初隨機(jī)抓握的位置開(kāi)始，像人類(lèi)一樣用“雙手”移動(dòng)電纜，找到電纜的末端。該感知和控制系統(tǒng)還能夠應(yīng)用于控制其他不同材料、不同剛度和直徑的電纜，也適用于不同的電纜跟蹤與操作速度。

未來(lái)想嘗試電纜布線

佘宇介紹，這款機(jī)械手可以應(yīng)用于任何含有繩索操作的場(chǎng)景，比如工廠里的纜繩或電纜的自動(dòng)加工和裝配。潛在的應(yīng)用包括含有任何可變形物體的操作，比如鋪床單、穿衣服、疊衣服等。

他表示，操作可變形物體如電纜、布料等在我們的日常生活中非常普遍，團(tuán)隊(duì)希望機(jī)器人能幫助人類(lèi)完成這類(lèi)工作，尤其是在工作內(nèi)容重復(fù)乏味或不安全的情況下。

目前，這款機(jī)械手還沒(méi)有投入實(shí)際使用，佘宇說(shuō)，如果有合適的機(jī)會(huì)，團(tuán)隊(duì)希望能夠和企業(yè)合作推廣這款機(jī)械手。

研究團(tuán)隊(duì)指出，這款機(jī)械手還有改進(jìn)空間。他們希望能夠進(jìn)一步改善傳感器的形狀以提高整體性能。觸覺(jué)信號(hào)的頻率也有待進(jìn)一步提高。

此外，目前機(jī)械手的尺寸還沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)，佘宇和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步縮小機(jī)械手的尺寸來(lái)執(zhí)行更加靈活的任務(wù)。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對(duì)更復(fù)雜的繩索自動(dòng)化操作進(jìn)行研究，例如電纜布線和通過(guò)障礙物插入電纜等，也會(huì)探索更復(fù)雜的可變形物體的自動(dòng)化操作。