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機械手超越人類觸感?MIT最新研究讓機械手只需輕輕一抓就能識別物體!

發(fā)布人:傳感器技術(shù) 時間:2023-05-12 來源:工程師 發(fā)布文章

如果和機械手一起玩“摸箱子”游戲,你有信心能贏么?


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先別盲目自信,論誰更會“摸”,機械手說不定更勝一籌,因為它的「類人觸感技術(shù)」最近又又又進化了!


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別看它只有3根手指頭,僅需要抓握一次,這只機械手就能識別出手中的物體是什么,準確率可達85%!



這是MIT最新研究成果,他們在其透明“皮膚”下集成了多個高分辨率傳感器,使用攝像頭和LED來收集物體形狀的視覺信息,沿著手指提供連續(xù)感應(yīng),一次抓取后就能識別物體,小手一握,盡在掌握!


全手指集成高分辨率傳感器


具有觸覺的機械手不在少數(shù),它們要么把傳感器安裝在指尖中,需要和物體完全接觸才能感知;要么將低分辨率傳感器分布在整個手指上,通常需要多次抓握才能捕獲信息。


這讓機械手的觸覺感知顯得有些“遲鈍”。

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相比之下,MIT的機械手具有極高的敏感度,那它到底是怎么做到的?


我們先從機械手的設(shè)計講起,它結(jié)合了剛性和柔性設(shè)計,既“強壯”又“溫柔”,指骨由3D打印的剛性內(nèi)骨骼組成,包裹在透明的硅膠“皮膚”里,這種設(shè)計讓它可以輕松拿起重物,柔軟的皮膚也給交互帶來更多安全感。



其中,每個手指的剛性內(nèi)骨骼都由可彎曲的關(guān)節(jié)和指骨組成:


圖片(每個手指獨立操作,具有一個自由度,如果損壞可以快速更換)

每段指骨內(nèi)嵌入了一對精細的觸摸傳感器,稱為GelSight 傳感器,由一個攝像頭和三個彩色 LED 組成。這里的攝像頭并不是讓機械手去“看”物體,而是利用彩色 LED 從內(nèi)部照亮皮膚,相機來捕捉物體的大致輪廓圖像。



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當(dāng)圖像的照明輪廓出現(xiàn)在皮膚上時,一種算法執(zhí)行反向計算將輪廓映射到所抓物體的表面上。研究人員訓(xùn)練了一個機器學(xué)習(xí)模型,以使用原始相機圖像數(shù)據(jù)識別物體。


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更妙的是,雖然研發(fā)團隊只在每段指骨中嵌入了攝像機,但手指可以彎曲呀,當(dāng)它彎曲的時候相機的范圍能夠略微重疊,這樣就實現(xiàn)了整個手指長度的連續(xù)感應(yīng)!


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而機械手雖然只有3根手指,但每一根的作用都不多不少剛剛好:其中兩根手指以 Y 型排列,第三根手指作為輔助的拇指,當(dāng)它抓住物體時,手會捕捉六張圖像(每個手指兩張),并將這些圖像發(fā)送到機器學(xué)習(xí)算法來識別物體。結(jié)合每根手指的連續(xù)觸覺感應(yīng),它可以從一次抓握中收集豐富的觸覺數(shù)據(jù)!


意外收獲——皺紋讓硅膠皮膚壽命更長


機械手的設(shè)計過程也并不是那么順利的,在對機械手進行測試時,研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn):機械手的硅膠皮膚會隨著時間的推移從表面剝落。


但同時,他們還有個意外收獲——添加皺紋可以增加機械手壽命!


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最初,為了解決硅膠剝落的問題,研發(fā)團隊在內(nèi)骨骼關(guān)節(jié)中增加了曲線設(shè)計,這樣可以在手指彎曲時分擔(dān)硅膠皮膚的壓力;他們還在關(guān)節(jié)上增加了折痕,這樣當(dāng)手指彎曲時硅膠就不會被壓扁。


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這一切都是為了防止硅膠表面起皺,但隨后他們發(fā)現(xiàn):在手指表面制造的皺紋,有助于防止硅膠膜上的撕裂!


和光滑的硅膠皮膚相比,皺紋有助于減輕由尖角進入傳感器表面而造成的高應(yīng)力點。有皺紋的表面也比光滑的表面摩擦更小。雖然皺紋會出現(xiàn)在傳感器圖像中,導(dǎo)致表面重建困難,但它完全沒有對物體分類結(jié)果產(chǎn)生影響。


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“皺紋的用處是我們的一個偶然發(fā)現(xiàn)。當(dāng)我們在表面合成它們時,我們發(fā)現(xiàn)它們實際上使手指比我們預(yù)期的更耐用,”MIT的研究人員表示。

GelSight EndoFlex 傳感器網(wǎng)狀皺紋表面的特寫圖像。其中一條皺紋的寬度約為 0.4 毫米,是我們在模具表面噴上油漆,然后再將硅膠澆注到內(nèi)部時才形成的。


進一步研發(fā)感知手掌


這項研究的第一作者是MIT的機械工程博士生Sandra Liu,她目前在Edward Adelson 教授領(lǐng)導(dǎo)的感知科學(xué)小組中進行研究工作。該研究將在 RoboSoft 會議上展示。


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這項研究為機械手的發(fā)展帶來了新的可能性,一次抓握精準識別大大提升了速度和效率,“我們的目標是將人手的功能盡可能賦予給機器人,它可以完成其他機器人手指目前無法完成的任務(wù),”Sandra Liu說:未來我們考慮進一步研發(fā)具有感應(yīng)功能的手掌,更好地進行觸覺區(qū)分。”


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未來,研究人員還希望改進硬件,以減少硅膠隨時間的磨損量,并為拇指增加更多的驅(qū)動力,使其能夠執(zhí)行更廣泛的任務(wù)。

 


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關(guān)鍵詞: MIT

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