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科学家安装了柔性敏感皮肤,使软机器人具有本体感觉

时间:2020-02-14 来源:机器人在线 阅读:5328

柔性传感器和人工智能模型可以告诉变形的机器人其身体在3D环境中的位置。



麻省理工学院(MIT)的研究人员首次通过仅利用“感觉”自己皮肤的运动和位置数据,使软机械手臂能够了解其在3D空间中的配置。

由柔性材料制成的软机器人(类似于在生物体中发现的材料)被提倡为传统刚性机器人提供更安全、更适应、更具弹性和生物启发的替代产品。但是,对这些可变形机器人进行自主控制是一项艰巨的任务,因为它们可以在任何给定时刻沿几乎无限个方向移动。这使得很难训练用于驱动自动化的规划和控制模型。

实现自主控制的传统方法使用具有多个运动捕捉相机的大型系统,这些系统为机器人提供有关3D运动和位置的反馈。但是,对于实际应用中的软机器人而言,这是不切实际的。

在发表在《IEEE机器人与自动化快报》上的一篇论文中,研究人员描述了一种软传感器系统,该系统覆盖机器人的身体以提供“本体感觉”,即感知其身体的运动和位置。该反馈会进入一种新颖的深度学习模型,该模型可筛选出噪声并捕获清晰的信号,以估算机器人本体的3D位置。研究人员在类似于大象鼻子的软机器人手臂上验证了他们的系统,该机器人手臂可以自动摆动和伸展,并且可以预测自己的位置。




论文的第一作者、麻省理工学院计算机科学与人工实验室(CSAIL)的博士后瑞安·特鲁比(Ryan Truby)说,传感器可以使用现成的材料制造,这意味着任何实验室都可以开发自己的系统。特鲁比和博士后科西莫·德拉·桑蒂娜(Cosimo Della Santina)合作完成了论文。

他说:“我们正在感测软机器人,从传感器(而不是视觉系统)获取反馈,以进行控制,而不是使用视觉系统进行控制。比如,我们想使用这些柔软的机器人鼻子来自动定向和控制自己,捡起东西并与世界互动。这是迈向这种更复杂的自动化控制的第一步。”

未来的目标之一是帮助人造肢体能够更灵巧地处理和操纵环境中的物体。“想想自己的身体:您可以闭上眼睛,并根据皮肤的反馈来重建世界。” 合著者CSAIL主任丹妮拉·鲁斯(Daniela Rus)Daniela Rus和电气工程与计算机科学系安德鲁(Andrew)和埃娜·维特比(Erna Viterbi)教授说:“我们希望为软机器人设计相同的功能。”

塑造软传感器
完全集成的人体传感器是软机器人技术的长期目标。传统的刚性传感器会损害软机器人的自然柔韧性,使其设计和制造复杂化,并可能导致各种机械故障。基于软材料的传感器是一种更合适的替代方案,但是其设计需要专用的材料和方法,这使得许多机器人实验室难以在软机器人中制造和集成它们。

有一天,在他的CSAIL实验室工作期间,寻找传感器材料的灵感时,特鲁比找到了有趣的东西。他说:“我发现这些用于电磁干扰屏蔽的导电材料薄片可以在任何地方成卷购买。” 这些材料具有“压阻”特性,这意味着它们在应变时会改变电阻。特鲁比意识到,如果将它们放在象鼻子上的某些位置,它们可以制成有效的软传感器。当传感器响应于躯干的拉伸和压缩而变形时,其电阻将转换为特定的输出电压。然后将该电压用作与该运动相关的信号。

但是这种材料的伸缩性不高,这将限制其在软机器人中的使用。受kirigami(折纸的一种变化形式,其中包括对材料进行切割)的启发,特鲁比设计并激光切割了矩形的导电硅胶片,将其切割成各种图案,例如成排的小孔或类似栅栏的纵横交错的切片。特鲁比说,这使它们更加灵活,可拉伸,“看起来漂亮”。




研究人员的机器人躯干包括三个部分,每个部分都有四个用于移动手臂的流体致动器(总共12个)。他们在每个段上融合了一个传感器,每个传感器覆盖并收集了来自软机器人中一个嵌入式致动器的数据。他们使用了“等离子粘合”技术,该技术给一种材料的表面通电,使其与另一种材料粘合。大约需要几个小时才能成型出数十个传感器,这些传感器可以使用手持等离子设备粘合到软机器人上。



机器“学习”
如假设的那样,传感器确实捕获了象鼻子的总体运动。但是干扰噪声太多。“从本质上讲,它们在许多方面都是非理想的传感器,”特鲁比说:“但这只是用软导电材料制造传感器的普遍事实。性能更高,更可靠的传感器需要大多数机器人实验室所没有的专用工具。”

为了仅使用传感器来估计软机器人的配置,研究人员建立了一个深度神经网络来完成大部分繁重的工作,方法是筛选噪声以捕获有意义的反馈信号。研究人员开发了一种新模型,以运动学方式描述了软机器人的形状,从而大大减少了处理模型所需的变量数量。

在实验中,研究人员让鼻子随机摆动,并让它持续大约一个半小时。他们使用传统的运动捕捉系统获取真实数据。在训练中,该模型分析了来自其传感器的数据以预测配置,并将其预测与同时收集的真实数据进行比较。通过这样做,模型“学习”了将信号模式从其传感器映射到实际位置。结果表明,对于某些更稳定的状态,机器人的估计形状与真实情况相符。

接下来,研究人员旨在探索新的传感器设计以提高灵敏度,并开发新的模型和深度学习方法,以减少每台新的软机器人所需的培训。他们还希望完善系统,以更好地捕获机器人的完整动态运动。

当前,神经网络和传感器皮肤对捕捉细微运动或动态运动不敏感。但是,对于目前基于学习的软机器人控制方法而言,这是重要的第一步,特鲁比说:“就像我们的软机器人一样,生活系统也不必十分精确。与我们的刚性机器人相比,人类不是精密的机器,而且我们做得很好。”


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