指形传感器使机器人更加灵巧

想象一下用一只手抓住一个重物，比如管扳手。您可能会用手指而不是指尖来抓住扳手。皮肤中的感觉感受器沿着每个手指的整个长度延伸，将有关您正在抓握的工具的信息发送到您的大脑。

在机器人手中，使用摄像头获取所抓取物体信息的触觉传感器小而扁平，因此通常位于指尖。反过来，这些机器人仅使用指尖来抓取物体，通常是捏捏动作。这限制了他们可以执行的操作任务。

麻省理工学院的研究人员开发了一种基于摄像头的触摸传感器，该传感器长而弯曲，形状像人类手指。他们的设备可在大面积范围内提供高分辨率触觉传感。GelSightSvelte传感器使用两个镜子来反射和折射光线，以便位于传感器底部的一个摄像头可以沿着整个手指的长度进行观察。

此外，研究人员还构建了具有柔性骨架的指形传感器。通过测量手指触摸物体时脊柱的弯曲程度，他们可以估计施加在传感器上的力。

他们使用GelSightSvelte传感器制造了一只机器人手，它能够像人类一样抓住重物，利用其所有三个手指的整个传感区域。该手还可以执行与传统机器人抓手相同的捏握动作。

“因为我们的新传感器是人类手指形状的，所以我们可以用它来针对不同的任务进行不同类型的抓握，而不是对所有事情都使用捏抓。平行钳口夹具的作用有限。我们的传感器确实为我们可以用机器人执行的不同操作任务开辟了一些新的可能性，”机械工程研究生、GelSightSvelte论文的主要作者Alan(Jialiang)Zhu说道。

赵与资深作者爱德华·阿德尔森(EdwardAdelson)共同撰写了这篇论文，爱德华·阿德尔森是大脑和认知科学系视觉科学教授、计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的成员。该研究将在IEEE智能机器人和系统会议上发表。

镜子镜子

触觉传感器中使用的相机受到尺寸、镜头焦距和视角的限制。因此，这些触觉传感器往往又小又平，这将它们限制在机器人的指尖上。

如果感应区域较长(更类似于人类手指)，则相机需要距离感应表面更远才能看到整个区域。由于机器人夹具的尺寸和形状限制，这尤其具有挑战性。

赵和阿德尔森使用两个镜子解决了这个问题，这两个镜子将光线反射和折射到位于手指根部的单个相机上。

GelSightSvelte包含一个位于相机对面的平面倾斜镜子和一个位于传感器背面的长曲面镜子。这些镜子重新分配来自相机的光线，使相机可以沿着整个手指的长度看到光线。

为了优化镜子的形状、角度和曲率，研究人员设计了软件来模拟光的反射和折射。

“通过这个软件，我们可以轻松地调整镜子的位置以及它们的弯曲方式，以了解我们实际制造传感器后图像的效果如何，”赵解释道。

镜子、摄像头和两组照明LED连接到塑料骨架上，并封装在由硅胶制成的柔性外壳中。相机从内部观察皮肤背面;根据变形，它可以看到接触发生的位置并测量物体接触表面的几何形状。

此外，由于传感器上不同位置的颜色饱和度，红色和绿色LED阵列可以感知抓握物体时凝胶被按下的深度。

研究人员可以使用此颜色饱和度信息来重建所抓取物体的3D深度图像。

该传感器的塑料骨架使其能够确定本体感觉信息，例如施加到手指的扭转扭矩。当抓住物体时，脊柱会弯曲。研究人员使用机器学习根据这些骨干变形来估计施加到传感器上的力。

然而，赵说，将这些元件组合成一个工作传感器并不是一件容易的事。

“确保镜子的曲率正确以匹配我们在模拟中的曲率是非常具有挑战性的。另外，我意识到有些强力胶会抑制硅的固化。我们需要进行大量实验才能制造出真正有效的传感器。”他补充道。

多功能抓取

完善设计后，研究人员测试了GelSightSvelte，将螺钉等物体按压到传感器上的不同位置，以检查图像清晰度并了解它确定物体形状的能力。

他们还使用三个传感器构建了GelSightSvelte手，可以执行多种抓握操作，包括捏握、横向捏握以及使用三个手指的整个感应区域的动力握持。大多数机器人手的形状像平行下颌滴水器，只能进行捏抓。

三指动力抓握使机器人手能够更稳定地握住较重的物体。然而，当物体非常小时，捏握仍然有用。他说，能够用一只手执行两种类型的抓握将使机器人具有更多的多功能性。

展望未来，研究人员计划增强GelSightSvelte，使传感器是铰接式的，可以在关节处弯曲，更像人类的手指。

“光学触觉手指传感器允许机器人使用廉价的相机来收集表面接触的高分辨率图像，并通过观察柔性表面的变形，机器人估计接触形状和施加的力。这项工作代表了GelSight手指设计的进步，改进了全手指覆盖范围，并能够利用图像差异和机器学习来近似弯曲偏转扭矩。”斯坦福大学机械工程助理教授门罗·肯尼迪三世(MonroeKennedyIII)说道。没有参与这项研究。“提高机器人的触觉以接近人类的能力是必要的，也许是开发能够执行复杂、灵巧任务的机器人的催化剂问题。”