MIT開發帶觸覺柔性機械手 能靈活操作電線等可變形物體

　　(原标題：MIT開發出帶觸覺柔性機械手，能靈活操作電線等可變形物體)

　　澎湃新聞記者 張唯 實習生 王祎琛

　　7月14日，麻省理工學院在機器人領域國際會議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院博士後佘宇在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者采訪時介紹，該機械手可以應用于任何涉及繩索操作的場景，比如工廠裡的纜繩、電纜自動加工和裝配。

　　“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。”

　　他透露，下一步研究團隊會進行更複雜繩索的自動化操作，也會開展對更複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院的計算機科學和人工智能實驗室(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随着滑動而發生動态變化。而機器人的“手指”必須不斷感應并調整物體的位置和運動。

　　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，形成準靜态結構，降低電纜的自由度後，機器人再進行操作。

　　而佘宇所在團隊的目标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”夾住耳機線一側并進行滑動，在感知到插孔時停止并調整姿勢，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”随之将耳機插頭插入插孔。

　　視頻顯示，面對操作過程中人為造成的外力幹擾，機械手做出了及時調整。

　　佘宇介紹，研究團隊結合了機械設計、觸覺傳感和控制器設計三個領域來開發這款機械手。而的亮點在于，其中每一個具體研究方向都不是特别複雜，“但是他們結合在一起能夠解決非常複雜的問題”。

　　隐藏在“指尖”的觸覺傳感器

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

　　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。兩隻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

　　實現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電纜在抓爪中平穩滑動;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計來解決這些問題。

　　佘宇介紹，傳統觸覺傳感器的反饋信息非常有限，很難獲取接觸物體的姿态信息。因此，研究團隊在抓爪的“指尖”安裝了内置攝像頭的“Gelsight”觸覺傳感器。這種内置攝像頭的觸覺傳感器在工作過程中提供了“非常高維”的反饋信号，包括接觸物體的位置和姿态信息。

　　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。

　　根據傳感器的信息，研究團隊設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，用于調節抓力，使電纜能夠在抓爪中平穩滑動。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計，當抓爪被安裝在機械臂上時，能夠從最初随機抓握的位置開始，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，也适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，這款機械手可以應用于任何含有繩索操作的場景，比如工廠裡的纜繩或電纜的自動加工和裝配。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完成這類工作，尤其是在工作内容重複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，如果有合适的機會，團隊希望能夠和企業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。觸覺信号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态，佘宇和他的團隊計劃進一步縮小機械手的尺寸來執行更加靈活的任務。

　　未來，研究團隊計劃對更複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，也會探索更複雜的可變形物體的自動化操作。