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

7月14日，麻省理工學(xué)院在機器人領(lǐng)域國際頂級會(huì )議RSS2020上展示了一對搭載高分辨率觸覺(jué)傳感器的機械手，它們能夠靈活操作電纜、電線(xiàn)等可變形物體。研究團隊稱(chēng)，這是機器人首次在沒(méi)有其他機械幫助的情況下實(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(fǎng)時(shí)介紹，該機械手可以應用于任何涉及繩索操作的場(chǎng)景，比如工廠(chǎng)里的纜繩、電纜自動(dòng)加工和裝配。

“潛在的應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，下一步研究團隊會(huì )進(jìn)行更復雜繩索的自動(dòng)化操作，也會(huì )開(kāi)展對更復雜的可變形物體的自動(dòng)化操作，比如衣服和床單。

這項研究由麻省理工學(xué)院的計算機科學(xué)和人工智能實(shí)驗室（CSAIL）與機械工程系合作完成。

雙“手”配合插耳機線(xiàn)

對于機器人來(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。因為這些柔性物體的形狀會(huì )隨著(zhù)滑動(dòng)而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。而機器人的“手指”必須不斷感應并調整物體的位置和運動(dòng)。

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

而佘宇所在團隊的目標是在沒(méi)有機械約束的條件下實(shí)時(shí)操作電纜。

他們在公開(kāi)視頻中演示了這對機械手插耳機線(xiàn)的過(guò)程：“左手”輕輕夾住耳機線(xiàn)的尾部，“右手”夾住耳機線(xiàn)一側并進(jìn)行滑動(dòng)，在感知到插孔時(shí)停止并調整姿勢，讓耳機線(xiàn)插頭對準孔位。此時(shí)“左手”手指配合松開(kāi)耳機線(xiàn)，“右手”隨之將耳機插頭插入插孔。

視頻顯示，面對操作過(guò)程中人為造成的外力干擾，機械手做出了及時(shí)調整。

機械手將耳機插頭插入插孔

佘宇介紹，研究團隊結合了機械設計、觸覺(jué)傳感和控制器設計三個(gè)領(lǐng)域來(lái)開(kāi)發(fā)這款機械手。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雜，“但是他們結合在一起能夠解決非常復雜的問(wèn)題”。

隱藏在“指尖”的觸覺(jué)傳感器

在佘宇看來(lái)，如何有機地融合機械設計、觸覺(jué)傳感和控制器設計這三個(gè)相對獨立的領(lǐng)域系統也是整個(gè)設計過(guò)程中最困難的。因此，團隊在設計的每一步過(guò)程中都不斷結合、考慮三個(gè)領(lǐng)域。比如，在最初進(jìn)行機械設計的時(shí)，他們就會(huì )考慮后續的傳感和控制設計問(wèn)題。

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

機械手系統

實(shí)現機械手實(shí)時(shí)跟蹤并操作電纜需要滿(mǎn)足多種條件。首先，機械手需控制抓握力以實(shí)現電纜在抓爪中平穩滑動(dòng)；其次，機械手需要控制其“抓握姿勢”以防止電纜從抓爪的“指間”掉落。研究團隊通過(guò)觸覺(jué)傳感和控制器設計來(lái)解決這些問(wèn)題。

佘宇介紹，傳統觸覺(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，研究團隊在抓爪的“指尖”安裝了內置攝像頭的“Gelsight”觸覺(jué)傳感器。這種內置攝像頭的觸覺(jué)傳感器在工作過(guò)程中提供了“非常高維”的反饋信號，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械手使用了基于相機的觸覺(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這款機械手是專(zhuān)門(mén)定制的，能夠有效做到實(shí)時(shí)反饋。

根據傳感器的信息，研究團隊設計了同時(shí)運作的兩個(gè)控制器，使機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，用于調節抓力，使電纜能夠在抓爪中平穩滑動(dòng)。另一控制器為電纜姿勢控制器，該控制器能夠保持電纜居于抓爪“手指”的中央。

機械手操作電纜

基于觸覺(jué)傳感與控制器設計，當抓爪被安裝在機械臂上時(shí)，能夠從最初隨機抓握的位置開(kāi)始，像人類(lèi)一樣用“雙手”移動(dòng)電纜，找到電纜的末端。該感知和控制系統還能夠應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(xiàn)

佘宇介紹，這款機械手可以應用于任何含有繩索操作的場(chǎng)景，比如工廠(chǎng)里的纜繩或電纜的自動(dòng)加工和裝配。潛在的應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，團隊希望機器人能幫助人類(lèi)完成這類(lèi)工作，尤其是在工作內容重復乏味或不安全的情況下。

目前，這款機械手還沒(méi)有投入實(shí)際使用，佘宇說(shuō)，如果有合適的機會(huì )，團隊希望能夠和企業(yè)合作推廣這款機械手。

研究團隊指出，這款機械手還有改進(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)信號的頻率也有待進(jìn)一步提高。

此外，目前機械手的尺寸還沒(méi)有達到理想狀態(tài)，佘宇和他的團隊計劃進(jìn)一步縮小機械手的尺寸來(lái)執行更加靈活的任務(wù)。

未來(lái)，研究團隊計劃對更復雜的繩索自動(dòng)化操作進(jìn)行研究，例如電纜布線(xiàn)和通過(guò)障礙物插入電纜等，也會(huì )探索更復雜的可變形物體的自動(dòng)化操作。