MIT制造了兩只帶有利用高精度觸覺傳感器的機器手

我們都體會過解開纏在一起的耳機線時的煩躁感。對于人類來說，想要靈活操控繩索、金屬絲或電線之類的細小而柔軟的物體并不是一件容易的事情。

如果這種問題對人類來說很難解決，那么對于機器來說更是難上加難。當容易形變的電線在機器人手指間滑動時，其形狀變化難以判斷，機器手必須不斷地檢測和調(diào)整相對位置和運動，才能實現(xiàn)精準操控。

傳統(tǒng)方法是用一系列機械固定裝置來完成工作，笨重且緩慢。最近，麻省理工學院（MIT）的研究團隊另辟蹊徑，發(fā)明了一種新方法，使機器手的工作方式更靈巧，也更接近人類手（指）的工作原理，這項研究成果還獲得了機器人領域國際頂級會議 RSS 2020 的 “最佳論文” 提名。

圖 | 兩只機械手臂在工作

研究人員來自 MIT 計算機科學和人工智能實驗室（CSAIL）和機械工程系。他們制造了兩只帶有利用高精度觸覺傳感器的機器手。在抓住電線時，它們可以感知非常細微的力度和方向變化——人類手指就是這樣——繼而調(diào)整抓取方式，實現(xiàn)對電線的自由操控，甚至可以把耳機插進手機中。

該系統(tǒng)未來有望用于工業(yè)環(huán)境和家務工作中。靈活的機器手可以幫我們打繩結，鋪床單，纏繞金屬絲或電線，甚至是進行整形和外科縫合手術。

抓取和跟隨電線移動聽起來似乎不難，但實際上非常有挑戰(zhàn)性。

實現(xiàn)這一目標首先需要有穩(wěn)定控制的 “姿勢” 和“抓力”——既要有力，保證電線不會掉下來，也不能力度太大，不然抓手無法平穩(wěn)滑動，而且還要以正確的姿勢移動，否則彎曲或運動的電線很容易滑落。

MIT 研究小組首先確定了機器手的組成部分：一條可以移動的機械臂和一個兩根手指的抓爪。機械臂可以作為控制系統(tǒng)的一部分移動，一端安裝抓爪。爪子必須質(zhì)地輕巧且移動迅速，可以實時地靈活調(diào)整抓取力度和位置。

在連續(xù)運動期間，這些信息很難從常規(guī)的視覺系統(tǒng)中捕獲，因為抓手會遮擋電線。即使有辦法推理電線的狀態(tài)，也會有延遲和誤差，無法快速運行。更主要的是，“抓力”這樣的信息是無法從視覺傳感器中獲得的。因此團隊最終選擇了觸覺傳感器。

圖 | 觸覺傳感器感知力量變化，繪制矢量圖

一種名為 “GelSight” 的傳感器可以做到這一點。它由柔軟的橡膠制成，里面裝有嵌入式攝像頭，可以將力度、速度和朝向等變量可視化。

隨后，研究人員創(chuàng)造了一個感知和控制框架，用于實現(xiàn)基本的電線操控。GelSight 傳感器收集的數(shù)據(jù)可以估算電線在手指間的狀態(tài)和位置，并且測量出電線滑過手指的摩擦力，繪制出行動軌跡。共有兩個控制器并行運行，其中一個負責調(diào)節(jié)抓力大小，另一個負責調(diào)節(jié)抓手姿勢，確保電線是抓在手上的。

將抓手和機械臂組合起來后，抓手就可以在機械臂的帶動下自由移動。放上一條 USB 線之后，機器手可以從任意一個隨機位置開始。

在演示中，兩個抓手一橫一豎放置，相互配合。一只手先抓緊電線，另一只手快速捋過電線，尋找 USB 插頭。如果電線較長，抓緊線的手還會松開，同時另一只手靠近它，然后再重復抓緊和捋線的過程。整個工作流程和人用雙手捋直并找到 USB 插頭的過程十分相似。

圖 | 機械手將耳機插進手機里

機器手還可以把耳機插頭插進手機里。當告訴它抓的是一個耳機線時，它就會在找到耳機插頭之后移動到手機處，調(diào)整插頭的姿勢，由水平轉(zhuǎn)為豎直，然后將其插進插孔。

研究人員表示，機器手可以適應不同的材料，硬度和厚度，常見的膠皮和線繩等質(zhì)地都可以輕松掌控，速度也可以調(diào)整。

下一步，研究人員計劃改善機械爪手指的形狀，抓取目標拓展到更多可變形物體上。

目前使用的 GelSight 傳感器有一個凸面，很難在電線滑落時做出緊抓動作。如果可以改良凸面形狀，就可以更好地掌控電線，提升整體表現(xiàn)。此外，機械手的尺寸也可以進一步縮小，以應付更靈活的任務，解鎖更多應用場景。

“操縱軟物體在我們的日常生活中非常普遍，比如調(diào)整線繩，布料折疊和打結，”MIT 博士后，論文作者佘宇表示，“在很多情況下，我們希望機器人可以幫助人類完成這些工作，尤其是任務繁瑣，無聊或者不安全的時候。”