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[新型小吊机]让机器人穿针引线夹鸡蛋!中国学者领衔研发新型磁性触觉皮肤

作者:梦兮      发布时间:2021-04-20      浏览量:0
机器人在我们日常生活中已经无处不在,尤

机器人在我们日常生活中已经无处不在,尤其是新冠肺炎大流行期间,机器人在无接触配送、货物分选、紫外线消毒以及防疫应急处理和辅助作业等方面,都扮演了不可或缺的特殊角色,甚至有人将机器人称为科技 “战疫” 中的汹涌 “后浪”。

但是, 受限于目前触觉传感器在空间分辨率和精度方面存在的瓶颈以及其他原因,机器人在执行复杂任务上的能力远远低于人类。

相反,作为人类最大的器官,皮肤不仅可以感知力的大小和方向(自解耦),对外界刺激的定位精度也可以超越触觉感受器间的平均间距(超分辨率)。因此,人的双手可以完成非常精巧和复杂的任务,比如抓取易碎物品,进行灵巧操作,识别纹理和阅读盲文等。而现有的机器人触觉传感器与人类皮肤相比还存在较大差距。

为解决上述难题,香港城市大学生物医学工程系申亚京教授课题组、香港大学计算机系潘佳教授课题组及其合作者,共同 提出了一种基于磁性薄膜、类人类皮肤功能的触觉传感器,结合深度学习算法,实现了机器人触觉传感器的自解耦和超分辨率,为仿人类皮肤的触觉感知提供了新的思路。

相关成果以 “Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling” 为题,于近日发表在《科学机器人》(Science Robotics)上。申亚京教授和潘佳教授为论文的共同通讯作者,香港城市大学生物医学工程系在读博士生闫友璨为论文的第一作者(由申亚京教授和潘佳教授共同指导,主要研究方向为机器人触觉感知和人工智能算法)。

研究人员对学术头条表示,该研究主要解决了现有触觉传感器存在的两点不足:

一是现有的触觉传感器力的解耦(将外力分解到法向和切向)或标定过程复杂,往往需要设计复杂的传感器结构(如刚性梁)或拟合复杂的数学模型,而对于工业界的实际应用来说,传感器的解耦(或标定)方法越简单越好,因为简单的方法往往越稳健,成本也更低;

二是在实现解耦的情况下,尚未同时实现触觉超分辨率,这使得大面积、高空间分辨率而又低成本的触觉传感(如覆盖机器人全身的人工皮肤)变得难以实现,因为大面积、高空间分辨率的触觉传感需要数量庞大的传感单元和导线,因此需要更高的制造成本和信号采集成本。

研究团队表示, “这种具有自解耦功能的超分辨触觉感知在机器人领域有很大的应用潜力,可应用于机器人自适应抓取、灵巧操作,人机交互,模式识别等重要领域,赋予机器人灵巧操作日常物品的能力,提高人机交互的安全性。”

让 “夹鸡蛋” 力度恰到好处

触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器,可以赋予机器人通过接触来感知外部环境并与之交互的能力,在机器人灵巧操作、人机共融、模式识别等领域有着重要的应用。

随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现,近年来科学家已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案,但目前大都属于实验室阶段,达到产品化的并不多。

在该研究中,该触觉传感器的核心由一层经单面多级正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷电路板上的霍尔传感器组成。磁膜和霍尔传感器之间可以填充不同厚度和弹性的硅胶,用来调节传感器的灵敏度和量程。当有外力施加于磁膜上时,霍尔传感器将测量到由磁膜变形所引起的磁场变化,进而可以测量出所施加外力的大小和方向。

对此,申亚京教授表示,“这种经单面多极的正弦磁化后的磁体在学术上被称为 Halbach 阵列(Halbach Array),其一个重要特点就是可以在削弱一侧磁场的同时可以极大地加强另一侧磁场。该技术不仅在粒子加速器、磁悬浮列车、电磁炮等前沿领域有着重要的应用,在我们日常生活中使用的冰箱贴中也有应用。”

在此次研究工作中,闫友璨发现了 Halbach 阵列除了单侧磁场被增强的特点外,还有另一个很特殊的性质 ,即当把磁膜按正弦磁化后,其磁感应强度 B 和磁场方向 R B 在是 x-z 平面内是天然解耦的,即磁感应强度 B 只和 z 方向有关,磁场方向 RB 只和 x 方向有关。因此,法向力 Fz 的输出只与 z 方向有关,切向力 Fx 的输出只与 x 方向有关,这就为研究自解耦功能的触觉传感器提供了可能。

“ 最大的困难在于如何设计磁膜的磁化方式,才可以让传感器具有自解耦的特性。 我们进行了多次实验研究,发现正弦单面多级的磁化方式是最优的,因为这种磁化方式在理论上可以产生两个天然解耦的物理量:磁场强度和磁场方向,进而可以帮助实现法向力和切向力的自解耦。” 闫友璨说。

据论文描述,解耦后的磁性皮肤可以提供独立的正压力和切向力的测量(无串扰耦合),因此可以给机器人提供更精确的力反馈,比如将磁性皮肤贴在机械手上进行自适应抓取鸡蛋。

在实验开始时,机械手未进行抓取,夹持力 Fz 和载荷引起的切向力 Fx 均为零,当机械手夹住鸡蛋时(t1),夹持力 Fz 迅速增大,直至鸡蛋被提起时(t2),由于鸡蛋的重力作用,切向力 Fx 迅速增大,此时施加一个外部干扰:用手往下拽鸡蛋(t3),切向力开始逐渐增大,为了不使鸡蛋滑落,机械手自动增大夹持力,使 Fx/Fz 的比值始终小于滑动边界(合力保持在摩擦锥以内)。当撤去外部干扰后(t4),