MIT開發(fā)帶觸覺柔性機械手 能靈活操作電線等可變形物體

7月14日，麻省理工學(xué)院在機器人領(lǐng)域國際頂級會議RSS2020上展示了一對搭載高分辨率觸覺傳感器的機械手，它們能夠靈活操作電纜、電線等可變形物體。研究團隊稱，這是機器人首次在沒有其他機械幫助的情況下實時操作電纜。

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）記者采訪時介紹，該機械手可以應(yīng)用于任何涉及繩索操作的場景，比如工廠里的纜繩、電纜自動加工和裝配。

“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，下一步研究團隊會進行更復(fù)雜繩索的自動化操作，也會開展對更復(fù)雜的可變形物體的自動化操作，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)和人工智能實驗室（CSAIL）與機械工程系合作完成。

雙“手”配合插耳機線

對于機器人來說，實時操作諸如電纜、金屬絲之類的可變形柔性物體是困難的。因為這些柔性物體的形狀會隨著滑動而發(fā)生動態(tài)變化。而機器人的“手指”必須不斷感應(yīng)并調(diào)整物體的位置和運動。

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

而佘宇所在團隊的目標是在沒有機械約束的條件下實時操作電纜。

他們在公開視頻中演示了這對機械手插耳機線的過程：“左手”輕輕夾住耳機線的尾部，“右手”夾住耳機線一側(cè)并進行滑動，在感知到插孔時停止并調(diào)整姿勢，讓耳機線插頭對準孔位。此時“左手”手指配合松開耳機線，“右手”隨之將耳機插頭插入插孔。

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

機械手將耳機插頭插入插孔

佘宇介紹，研究團隊結(jié)合了機械設(shè)計、觸覺傳感和控制器設(shè)計三個領(lǐng)域來開發(fā)這款機械手。而最大的亮點在于，其中每一個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)雜的問題”。

隱藏在“指尖”的觸覺傳感器

在佘宇看來，如何有機地融合機械設(shè)計、觸覺傳感和控制器設(shè)計這三個相對獨立的領(lǐng)域系統(tǒng)也是整個設(shè)計過程中最困難的。因此，團隊在設(shè)計的每一步過程中都不斷結(jié)合、考慮三個領(lǐng)域。比如，在最初進行機械設(shè)計的時，他們就會考慮后續(xù)的傳感和控制設(shè)計問題。

在機械設(shè)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。這對抓爪被安裝在機械臂上，機械臂也能夠移動。

機械手系統(tǒng)

實現(xiàn)機械手實時跟蹤并操作電纜需要滿足多種條件。首先，機械手需控制抓握力以實現(xiàn)電纜在抓爪中平穩(wěn)滑動；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。研究團隊通過觸覺傳感和控制器設(shè)計來解決這些問題。

佘宇介紹，傳統(tǒng)觸覺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(nèi)置攝像頭的“Gelsight”觸覺傳感器。這種內(nèi)置攝像頭的觸覺傳感器在工作過程中提供了“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傳感器，“但是他們的控制帶寬非常低，做不到實時控制”，而MIT這款機械手是專門定制的，能夠有效做到實時反饋。

根據(jù)傳感器的信息，研究團隊設(shè)計了同時運作的兩個控制器，使機械手能夠靈巧操作可變形的物體。一個為電纜夾具控制器，用于調(diào)節(jié)抓力，使電纜能夠在抓爪中平穩(wěn)滑動。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

基于觸覺傳感與控制器設(shè)計，當抓爪被安裝在機械臂上時，能夠從最初隨機抓握的位置開始，像人類一樣用“雙手”移動電纜，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。

未來想嘗試電纜布線

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

目前，這款機械手還沒有投入實際使用，佘宇說，如果有合適的機會，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空間。他們希望能夠進一步改善傳感器的形狀以提高整體性能。觸覺信號的頻率也有待進一步提高。

此外，目前機械手的尺寸還沒有達到理想狀態(tài)，佘宇和他的團隊計劃進一步縮小機械手的尺寸來執(zhí)行更加靈活的任務(wù)。

未來，研究團隊計劃對更復(fù)雜的繩索自動化操作進行研究，例如電纜布線和通過障礙物插入電纜等，也會探索更復(fù)雜的可變形物體的自動化操作。