低资本机器东说念主“皮肤”登上Nature子刊：终了三维力的自解耦
发布日期：2024-12-20 14:54 点击次数：97
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触觉是东说念主类感知外部环境并与之交互的迫切知觉步地。
咫尺，科学家们也正在制作柔性皮肤，试图将这种才调赋予机器东说念主，使之能完成更为机灵、复杂的操作。
比如，自符合地稳稳夹紧一颗鸡蛋：
咫尺流行的柔性触觉传感器包括：
视触觉传感器：平庸行使于扣问限度，不错提供高分辨率的触觉图像。基于压阻或电容的触觉传感器阵列，不错检测压力散布，且易于制作。问题是，何如使用简便的传感器结构和标定行动终了三维力的解耦依然一个弘大的挑战——这意味着这些传感器时时在结构和制造上仍较为复杂，需要广泛的校准过程，这截止了它们的平庸落地。
为处分这一问题，来自法国国度科学扣问中心（CNRS）和香港大学的扣问东说念主员提倡了一种基于柔性磁膜的触觉传感器。
通过贪图正交磁化的Halbach阵列，该触觉传感器不错终了三维力的自解耦，将标定复杂度从三次方裁汰到一次方，极地面简化了传感器结构以及标定历程，为低资本的三维力触觉传感提供了新念念路。
△图1 传感器结构与旨趣
相干效用以“A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels”为题，已发表在Nature子刊《Nature Machine Intelligence》上。
自解耦三维柔性触觉皮肤如图1所示，该触觉传感器的主体部分从上往下分为三层：柔性磁膜，弹性硅胶，以及PCB电路板（带有霍尔传感器）。
当磁膜在外力作用下发生变形后，磁膜与霍尔传感器之间的距离将发生变化，因此由霍尔传感器测得的磁场大小及场地也会随之发生变化，该三维磁场信息经过解耦算法不错被颐养为三维力信息。
之前的扣问标明单面多极正弦磁化的Halbach阵列有二维自解耦的特色，即在x-z平面内，磁感应强度B只和z场地关连，磁场场地RB只和x场地关连，因此不错用于二维力的自解耦。
由于磁场知足叠加旨趣，扣问东说念主员发现，将两个正弦磁化的Halbach阵列磁场进行正交叠加后，二维自解耦的特色在一定要求下通过简化不错被执行到三维。
△图2 Halbach阵列的磁场正交叠加
即B只和z场地关连，Rxz只和x场地关连，Ryz 只和y场地关连，其中B，Rxz，Ryz 在简化前后的归一化十足破绽（NAE）分袂为2.88%、3%和4.56%。
基于正交磁化Halbach阵列三维自解耦的特色，三维力Fz、Fx、Fy不错分袂通过B、Rxz、Ryz 解耦出来。
为了考证上述三维力自解耦行动的可行性，扣问东说念主员贪图并制作了三个具有不同步地、大小、量程及灵敏度的触觉传感器，以用于不同的本色行使。
东说念主工膝重要三维力散布测量第一个行使是测量东说念主工膝重要处的三维力散布：
膝重要由3D打印而成，下半部分由触觉传感器（含24个传感单位）及ATI六维力/力矩传感器构成；上半部分由机械臂脱手模拟东说念主类膝重要的鬈曲和滑动。
实验领悟，触觉传感器不错提供及时的三维力散布测量，且测得的协力与着实值（来自ATI传感器）破绽很小。
触觉示教机器东说念主制作咖啡另一个行使是基于触觉的教机器东说念主制作咖啡。
如下图所示，扣问东说念主员将一个不错检测力和力矩的3x3触觉传感器阵列安设在了机械夹爪的一端（取矩点为传感器中心），当操作员轻触或滑动传感器名义的时候，传感器将检测到相应场地的力和力矩。
该力和力矩乘以一个增益矩阵（gain matrix）之后将被分袂颐养为机械臂终局奉行器的畅通增量（迁徙+动弹），并通过一个阻抗限度器（impedance controller）更新机械臂的终局姿态。
机械夹爪的开合可由特定的触觉信号编程限度，如快速高下滑动传感器名义限度“关闭夹爪”，快速高下摇动所夹物体限度“大开夹爪”。
通过径直和传感器或所夹物体交互，机械臂及夹爪不错被精准限度并纪律完成夹持水杯、倒水：
以及舀取咖啡粉，搅动咖啡，放回咖啡勺等算作。
在这一过程中示教东说念主员无需按压示教按钮（即传统示教行动），不错径直和物体交互，提供了一种更直不雅简便的示教神志。
示教甩手后，机械臂及夹爪只需要叠加示教过程中纪录的畅通轨迹及开合现象即可完成咖啡的制作。扣问东说念主员示意由于未使用视觉响应，轨迹叠加阶段扫数物品的位置齐需与示教阶段一致，之后可通过引入视觉响应和AI算法来终了愈加智能和通用的效法学习。
另外，通过编程，不错切换机械臂示教方式和自符合合手取方式（确认切向力及时动态调理法向夹持力）。
扣问东说念主员还展示了柔性PCB基底的触觉传感器在可一稔开拓中的行使。如下图所示，通过将一个具有柔性PCB基底的触觉传感单位扬弃于膝盖支架（knee brace）内侧，咱们不错监测使用者在平常步履过程中膝盖支架与腿部的三维交游力，这展示了三维柔性触觉传感器在健康监测限度的潜在行使。
本文的作家包括来自法国国度科学扣问中心CNRS-LIRMM实验室的闫友璨（博士后扣问员），Ahmed Zermane（博士），Abderrahmane Kheddar扶直，以及香港大学的潘佳扶直。
SharedIt免费在线阅读勾通: https://rdcu.be/d0I9p著述勾通：https://doi.org/10.1038/s42256-024-00904-9
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