哥伦比亚工程公司(ColumbiaEngineering)的研究人员今天宣布,他们引进了一种新型的具有触觉的机器人手指。 他们的手指可以定位触摸非常高的精度-<1mm-在一个大的,多弯曲的表面,就像它的人类对手。

机械工程和计算机科学系副教授Matei Ciocarlie说:“独立的触觉传感器和完全集成的触觉手指之间长期存在着差距——触觉传感在机器人操作中仍然远远不是无处不在的。 在本文中,我们演示了一种多曲面机器人手指,具有精确的触摸定位和复杂三维表面的法向力检测。

目前制造触摸传感器的方法已被证明很难集成到机器人手指中,这是由于多种挑战,包括难以覆盖多弯曲的表面,高线计数,或难以安装到小指尖,从而防止在灵巧的手中使用。 哥伦比亚工程团队采取了一种新的方法:新的使用来自光发射器和接收器的重叠信号嵌入透明波导层,覆盖手指的功能区域。

通过测量每个发射器和接收器之间的光传输,他们表明他们可以获得一个非常丰富的信号数据集,该数据集响应于手指因触摸而变形的变化.. 然后,他们证明了纯数据驱动的深度学习方法可以从数据中提取有用的信息,包括接触位置和施加的法向力,而不需要分析模型。 他们的最终结果是一个完全集成的,传感器化的机器人手指,具有低线计数,使用可访问的制造方法建造,并设计为易于集成到灵巧的手。

这项研究发表在IEEE/ASME关于机电一体化的交易上,展示了基础技术的两个方面,它们结合起来使新的结果得以实现。 首先,在本项目中,研究人员使用光来感知触觉。 在“皮肤”下,他们的手指有一层由透明硅胶制成,在其中,他们从30多个LED发光。 手指还有30多个光电二极管,可以测量光线是如何反弹的。 每当手指接触到某物时,它的皮肤就会变形,所以光线会在下面的透明层中移动。 测量从每个LED到每个二极管的光量,研究人员最终得到了近1000个信号,每个信号都包含一些关于接触的信息。 由于光也可以在弯曲的空间中反弹,这些信号可以覆盖复杂的三维形状,如指尖。

人类手指提供了令人难以置信的丰富的接触信息-超过400个微小的触摸传感器在每平方厘米的皮肤! Ciocarlie说。 这种模式促使我们尽可能多地从手指上获取数据。 关键是要确保手指两侧的所有触点都被覆盖-我们基本上建立了一个没有盲点的触觉机器人手指。”

其次,该团队设计了这些数据,用机器学习算法进行处理。 由于信号太多,所有信号都部分重叠,数据太复杂,无法被人类解释。 幸运的是,目前的机器学习技术可以学会提取研究人员关心的信息:手指在哪里被触摸,手指在触摸什么,施加了多少力量等。

Kymissis说:“我们的研究结果表明,深层神经网络能够很高精度地提取这些信息。” 我们的设备是一个真正的触觉手指设计从一开始就与人工智能算法一起使用。

此外,该团队建造的手指,使它,和其他,可以放在机器人的手。 将系统集成到一只手上是很容易的:由于这种新技术,手指收集了近1000个信号,但只需要一根14线的电缆连接到手上,它不需要复杂的离线电子设备。 研究人员已经有两只灵巧的手(能够抓住和操纵物体)在他们的实验室里用这些手指装备-一只手有三个手指,另一只手有四个手指。 在接下来的几个月里,团队将使用这些手来尝试和展示基于触觉和本体感觉数据的灵巧操作能力。

Ciocarlie补充说:“现在在制造和物流等领域需要灵巧的机器人操作,从长远来看,这是在医疗或服务领域等其他领域提供个人机器人帮助所需要的技术之一。

这项研究的标题是“一个传感器化的多曲面机器人手指,通过重叠的光信号进行数据检测。”

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