Columbia Engineering的触觉手指是第一个没有盲点的机器人手指

培养人性化的触觉对于机器人手来说一直是挑战。Columbia Engineering的研究人员近日宣布，他们已经创建了一种机械手手指，可以在大型的多曲面上高精度地定位触摸。

“长期以来人们一直单机触觉传感器以及完全集成触觉手指之间的空隙-触觉感应仍远未无处不在机器人操作，”说马太Ciocarlie，在各部门的副教授机械工程  和  计算机科学，谁领导这项工作是与  电气工程学  教授  Ioannis（John）Kymissis合作完成的。“在本文中，我们展示了一种多曲线机器人手指，该手指在复杂的3D表面上具有精确的触摸定位和法向力检测。”

哥伦比亚工程学院，又称福基金会工程与应用科学学院，拥有220多名师资，隶属于哥伦比亚大学。

寻找一种更简单的方法来构建机器人手指

由于多种挑战，包括用于覆盖多弯曲表面的困难，高导线数或难以安装在小指尖的困难，目前证明用于构建触摸传感器的方法难以集成到机器人手指中，从而防止在灵巧的手中使用。Columbia Engineering团队采用了一种新方法：它使用来自光发射器和接收器的重叠信号，该信号嵌入在覆盖手指功能区域的透明波导层中。

通过测量每个发射器和接收器之间的光传输，研究人员表明，他们可以获得非常丰富的信号数据集，该数据集会由于触摸导致机器人手指变形而发生变化。然后，他们证明了纯数据驱动的深度学习方法可以从数据中提取有用的信息，包括接触位置和施加的法向力，而无需分析模型。

最终的结果是采用易于使用的制造方法制造的，完全集成的，带传感器的机器人手指，线数少，并且易于集成到灵巧的手中。

轻触

这项由学生Pedro Piacenza和Keith Behrman领导的 研究已在线发表在  IEEE / ASME Transactions on Mechatronics上。它展示了基础技术的两个方面，这些方面相结合以实现新结果。

首先，在这个项目中，研究人员使用光线来感应触摸。在“ 皮肤 ”下，机械手手指上有一层由透明硅树脂制成的材料，它们在其中发光来自30多个LED的光。手指还具有30多个光电二极管，可测量周围光线的反射。每当手指触摸某物时，其皮肤就会变形，因此光线会在下面的透明层中四处移动。

通过测量从每个LED到每个二极管的光量，研究人员最终获得了近1,000个信号，每个信号都包含有关所进行的接触的一些信息。由于光还可以在弯曲的空间中反弹，因此这些信号可以覆盖复杂的3D形状，例如指尖。

“人的手指提供了令人难以置信的丰富的联系信息-在每平方厘米的皮肤中有400多个微型触摸传感器！” 乔卡莉说。“那是促使我们尝试从手指中获取尽可能多数据的模型。确保手指所有侧面的所有接触都被遮盖非常关键-我们实质上构建了没有盲点的触觉机器人手指。”

将深度学习应用于机器人手指

其次，团队设计了这些数据，以供机器学习算法处理。由于信号太多，所有信号都部分重叠，因此数据太复杂而无法被人解释。幸运的是，当前的机器学习技术可以学习提取研究人员关心的信息：手指在哪里触摸，手指在触摸什么，施加了多少力等。

“我们的结果表明，深度神经网络可以非常高精度地提取此信息，”也是数据科学研究所成员的Kymissis说。“我们的设备从一开始就是真正设计成可与AI算法结合使用的触觉手指。”

此外，该团队还建立了手指，以便可以将手指和其他手指放在机器人手上。将系统集成到手上很容易：由于这项新技术，手指可以收集近1,000个信号，但只需要一条14线电缆将其连接到手上，就不需要复杂的外接电子设备。

研究人员已经拥有两只灵巧的手，能够在他们的实验室中抓握和操纵物体。一个装备了三个手指，另一个装备了四个手指。在接下来的几个月中，研究小组将根据触觉和本体感受数据，使用这些手来尝试证明其灵巧的操作能力。

Ciocarlie补充说：“在制造和物流等领域，现在需要机器人的操纵，从长远来看，它是在其他领域（例如医疗保健或服务领域）启用个人机器人协助所需要的技术之一。”