基于超精密3D打印柔性傳感的軟體機(jī)器人“非接觸式”交互示教

更新時(shí)間：2023-02-14

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人們經(jīng)常向往能夠擁有魔法，以實(shí)現(xiàn)各種神奇的操作比如隔空操控、隔空取物，即在不主動(dòng)觸碰某個(gè)物體的情況下，用類似意念的超能力操控物體移動(dòng)，多用于神話科幻電影或小說。正所謂，科技來源于想象，想象力是推動(dòng)人類走向物種最頂端的原動(dòng)力。而當(dāng)科技發(fā)展到一定程度時(shí)，這種對于超能力的向往、對神奇操作的想象有時(shí)也會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

2022年8月26日，國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）報(bào)道了北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院仿生機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)文力課題組在軟體機(jī)器人交互控制領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展。

操作人員通過裸手不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對具有大量自由度的軟體機(jī)器人的非接觸控制，而且可以完成各類復(fù)雜的操作。能夠?qū)?fù)雜的軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制變得大眾可及，得益于北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最新提出的基于雙模態(tài)智能傳感界面的軟體機(jī)器人非接觸交互示教方法。在該研究中，基于研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)多模態(tài)柔性傳感界面，示教者在不接觸軟體機(jī)器人、無任何穿戴設(shè)備的情況下利用裸手交互地示教軟體機(jī)器人（如連續(xù)體軟體臂），使其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)。其主要原理是，利用“隔空"條件下交互界面與人手表面電荷產(chǎn)生的靜電感應(yīng)，將人手和軟體機(jī)器人之間的距離信號轉(zhuǎn)換為傳感信號，進(jìn)而“誘導(dǎo)"機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這類基于多模態(tài)柔性感知的非接觸的示教方法可以顯著拓展人類與軟體機(jī)器人的交互方式。該論文第一作者為北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院博士研究生劉文博，朵有寧、劉嘉琦、袁菲陽為共同第一作者，文力教授為論文通訊作者。中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所與清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系為本研究的合作單位。

瞄準(zhǔn)領(lǐng)域痛點(diǎn)問題

軟體機(jī)器人是一種新型柔軟機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。由于軟體材料的自由度可以根據(jù)需求自由變化，因此軟體機(jī)器人有著極。高的靈活性，并且軟體機(jī)器人與生俱來的高度適應(yīng)性，使其在與人類互動(dòng)方面同傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比更具安全優(yōu)勢，在生物工程、救災(zāi)救援、醫(yī)療領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景，受到越來越多的關(guān)注。然而，由于目前軟件機(jī)器人在建模和編程方面存在一定挑戰(zhàn)，使得非專業(yè)人員在使用軟件機(jī)器人實(shí)現(xiàn)特定動(dòng)作及執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)常常面臨一些不容忽視的困難。交互式示教方法能夠高效、靈活地引導(dǎo)軟機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，這將有助于軟體機(jī)器人在室內(nèi)、生產(chǎn)線和其它非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用。

攻克兩大研究挑戰(zhàn)

在傳統(tǒng)剛性機(jī)器人上常用到的拖拽示教的方式，并不能很好地應(yīng)用于軟體機(jī)器人，其主要是由于軟體機(jī)器人順應(yīng)性高、具有無限自由度的自身特性。因此，直接進(jìn)行“拖拽"會(huì)使軟體機(jī)器人產(chǎn)生很大的被動(dòng)變形。如果想檢測這些被動(dòng)變形，則需要在軟體機(jī)器人上布置大量傳感器。在解決軟體機(jī)器人示教交互問題上，目前面臨著兩大挑戰(zhàn)。

（1）一種柔性多模態(tài)智能傳感器-能夠在適應(yīng)軟體機(jī)器人大變形的前提下，對多種環(huán)境信息（距離、壓力以及材質(zhì)等）做出響應(yīng)。

（2）一種友好的無需編程的軟體機(jī)器人示教系統(tǒng)-能夠簡單高效地將人的指令傳遞給軟體機(jī)器人。

挑戰(zhàn)一：多模態(tài)柔性傳感器

由于操作人員在與軟體機(jī)器人交互過程中可能產(chǎn)生多種信號，且傳感器需適應(yīng)軟體機(jī)器人自身柔軟的特性，因此用于人機(jī)交互的傳感器應(yīng)具有檢測多模態(tài)信號、柔軟可變形等特點(diǎn)。課題組基于摩擦納米發(fā)電機(jī)原理和液態(tài)金屬的壓阻效應(yīng)提出了一種能夠?qū)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">非接觸信號和接觸信號進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和解耦的柔性雙模態(tài)智能傳感器（flexible bimodal smart skin, FBSS）。該傳感器結(jié)構(gòu)上主要包括柔性介電層、柔性電極層、激勵(lì)層、液態(tài)金屬圖案和封裝層組成。該團(tuán)隊(duì)利用新型微立體面投影光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)實(shí)現(xiàn)了柔性介電層表面微型金字塔模具的3D打印，該傳感器自身具有較強(qiáng)的柔性和可拉伸性。

圖1. 接觸/非接觸柔性雙模態(tài)智能傳感器(FBSS)的設(shè)計(jì)與傳感原理。(a)傳感器將不同功能層堆疊在一起。包括柔性介電層(青色)、柔性電極層(灰色)、刺激層(淺黃色)、液態(tài)金屬(黑色)和封裝層(橙色)。(b)柔性介電層頂部微金字塔結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像。該金字塔型微結(jié)構(gòu)一方面可以有效介電層的表面積，增加表面電荷量進(jìn)而提高非接觸傳感的靈敏度；另一方面可以減少外力作用在液態(tài)金屬腔道上的面積增加壓強(qiáng)促進(jìn)液態(tài)金屬腔道變形，進(jìn)而提高接觸傳感的靈敏度。(c)印刷在硅膠材料層上的液態(tài)金屬材料的光學(xué)顯微鏡圖像。(d) FBSS可被彎曲，展示了其柔性。(e)樣機(jī)可被拉伸(最大拉伸率為58.4%)。(f)樣機(jī)的接觸/非接觸傳感機(jī)制：i)柔性介電層(灰色)和外部物體(紅色)在接觸幾次后，由于電子親和性不同，產(chǎn)生了等密度的負(fù)電荷和正電荷。ii)當(dāng)外部物體接近柔性介電層時(shí)，自由電子被驅(qū)動(dòng)并從大地流向柔性電極。iii)外部物體開始接觸FBSS，電子轉(zhuǎn)移量增加，液態(tài)金屬電阻增加。iv)外部物體與FBSS完。全接觸，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和液態(tài)金屬的電阻都達(dá)到最大值。v)隨著外界壓力的釋放，電子從柔性電極(灰色)回流到大地，液態(tài)金屬的電阻減小。vi)隨著外部物體(紅色)與FBSS分離，回流電子增多，液態(tài)金屬的電阻恢復(fù)到初始狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)對柔性雙模態(tài)智能傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試，研究結(jié)果表明，該傳感器可以靈敏地檢測外界物體與傳感之間的距離以及接觸壓力，并且能夠?qū)崟r(shí)解耦這兩種模態(tài)。此外該傳感器利用不同材質(zhì)得失電子能力的差異性，還可以對接觸物體的材質(zhì)進(jìn)行檢測。最后，實(shí)驗(yàn)研究表明該傳感器具有一定環(huán)境抗干擾能力以及良好的穩(wěn)定性和耐久性。研究團(tuán)隊(duì)所提出的柔性雙模態(tài)智能傳感器可以有效地檢測外部物體的接近和接觸信息，比如高速下落的網(wǎng)球，在整個(gè)過程傳感器可以實(shí)時(shí)感知和區(qū)分網(wǎng)球的接近和擊中傳感器的逐個(gè)階段。此外，該傳感器還可以檢測一個(gè)羽毛的飄落過程：隨著羽毛逐漸接近，傳感器輸出的非接觸信號逐漸增加。該柔性雙模態(tài)智能傳感器還能夠感知人手的接近和按壓信號，無需在手上增加任何外接設(shè)備：研究人員將該傳感器連接進(jìn)入LED燈控制電路，利用人手的接近信號控制控制紅色LED燈亮度，接觸信號控制藍(lán)色LED燈亮度。

圖2. FBSS接觸和非接觸傳感特性的表征結(jié)果。(a, b)網(wǎng)球從FBSS上方落下(下落距離200mm)的高速相機(jī)圖像和接觸、非接觸輸出信號。(c, d)人手指按壓FBSS時(shí)的場景和接觸、非接觸輸出信號。當(dāng)檢測到的非接觸信號超過一個(gè)閾值時(shí)，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)手指按壓FBSS時(shí)，藍(lán)色LED點(diǎn)亮。

在此基礎(chǔ)上，課題組人員嘗試將多模態(tài)柔性傳感器與一些簡單的軟體機(jī)器人結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人與環(huán)境、與人的初步交互。將柔性多模態(tài)智能傳感器放置在一段軟體驅(qū)動(dòng)器末端，通過人手能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸地直接控制驅(qū)動(dòng)器的彎曲和收縮。這給人一種魔法般的體驗(yàn)；將柔性多模態(tài)傳感器與氣動(dòng)折紙結(jié)構(gòu)軟體手結(jié)合，即使軟體手完。全埋進(jìn)沙子依舊能夠感知附近玩具昆蟲的接近信息，并對其進(jìn)行精準(zhǔn)地抓?。蝗嵝远嗄B(tài)智能傳感器與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)軟體手爪結(jié)合，亦可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑上目標(biāo)物體的搜尋與抓?。弘S著軟體手爪逐漸靠近目標(biāo)物，傳感器輸出的非接觸信號逐漸增加，當(dāng)超過一定閾值時(shí)系統(tǒng)判定為軟體抓手找到了目標(biāo)物并進(jìn)行抓取，抓取過程中傳感器輸出的接近信號開始逐漸增加，最終實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)物體的成功抓捕。

圖3. 自驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人被人和環(huán)境的非接觸信號觸發(fā)。氣動(dòng)三自由度軟體機(jī)械臂被人手的接近信號觸發(fā)實(shí)現(xiàn)(a)彎曲和(b)縮短。(c)裝有FBSS的氣動(dòng)軟體折紙機(jī)器人成功檢測并抓住玩具昆蟲。(d)一個(gè)裝備有FBSS的軟體抓手自主搜索、檢測和抓取塑料圓柱體物體，(e)在這個(gè)過程中接觸和非接觸信號隨時(shí)間變化的結(jié)果。

挑戰(zhàn)二：針對軟體機(jī)器人的示教交互方式

基于多模態(tài)柔性傳感器，課題組針對10自由度（軟體臂主體由9根波紋管式氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器組成，末端有一氣動(dòng)軟體手）氣動(dòng)軟體機(jī)械臂提出了一種非接觸示教交互方式：利用人手的接近信號進(jìn)行非接觸控制，軟體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的步長大小對應(yīng)非接觸信號的大小，人手的按壓信號用于控制末端軟體手的開合。無需額外的穿戴設(shè)備，操作人員通過裸手即可與軟體機(jī)械臂進(jìn)行交互。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對軟體機(jī)器人復(fù)雜姿態(tài)的控制，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了“變換傳感器位置&示教"的方法。在傳感器的背部以及軟體機(jī)器人上放置小的圓形磁鐵，利用磁力快速改變傳感器在軟體機(jī)器人上的位置，從而實(shí)現(xiàn)對軟體機(jī)器人各個(gè)驅(qū)動(dòng)段的位姿控制。

為簡單驗(yàn)證上述示教控制系統(tǒng)的可行性，課題組人員控制軟體機(jī)械臂進(jìn)行二維、三維空間物體抓取任務(wù)。其重復(fù)過程能夠很好地對示教過程進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。這種示教方式能夠有效地捕捉并抓取空間內(nèi)高、中、低大范圍內(nèi)的目標(biāo)物體。由于交互控制系統(tǒng)能夠完整地記錄示教交互過程的控制步長數(shù)據(jù)，操作人員可以對復(fù)現(xiàn)過程的速度進(jìn)行控制，并且根據(jù)用戶的需求做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。此外，研究人員還在軟體機(jī)械臂每一段末端和貼附傳感器的弧形片上安裝了小磁片，便于交互過程中傳感器位置的切換。該方法通過簡單、快速地更換傳感器的位置，實(shí)現(xiàn)了對每一段的高效交互控制，最終實(shí)現(xiàn)了整個(gè)軟體復(fù)雜位姿的簡單控制。

圖4. 基于“傳感器換位與示教"方法交互式示教軟體機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。FBSS I和FBSS II隨時(shí)間變化的非接觸和接觸信號的歸一化結(jié)果。每個(gè)圖中的紅色和藍(lán)色箭頭表示用戶正在將FBSS從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，以便與軟體機(jī)械臂的不同位置進(jìn)行交互。(a)示教者使用“傳感器換位與示教"方法操縱軟體臂實(shí)現(xiàn)二維空間運(yùn)動(dòng)。(b) 使用“傳感器換位與示教"方法操縱軟體臂實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維空間運(yùn)動(dòng)。

除了簡單的控制軟體機(jī)器人完成空間物體的抓取任務(wù)以外，還可以與軟體機(jī)器人進(jìn)行無接觸的互動(dòng)教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。例如，將一根水彩筆安裝軟體臂末端，通過示教方式“教會(huì)"軟體機(jī)械臂在迷宮中行走；通過示教方式操作軟體機(jī)械臂進(jìn)行咽拭子采樣。為更好地展現(xiàn)軟體機(jī)械臂的靈活性和示教交互方式的效果，課題組人員在軟體機(jī)械臂和目標(biāo)物之間放置一塊障礙物，通過示教方式，“教會(huì)"軟體機(jī)械臂越過障礙并成功抓取一朵花。

圖5. 交互式示教自驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人潛在應(yīng)用的展示。(a)示教軟體機(jī)械臂走迷宮的實(shí)驗(yàn)場景。(b, c)軟體機(jī)械臂走迷宮實(shí)驗(yàn)中示教和復(fù)現(xiàn)的軌跡。(d)走迷宮實(shí)驗(yàn)示教過程中的信號曲線。咽拭子采集實(shí)驗(yàn)示教過程的(e)實(shí)驗(yàn)場景和(f)信號曲線。(g)交互式示教軟體機(jī)械臂越過障礙物并成功抓取花朵。

研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于多模態(tài)柔性傳感的軟體機(jī)器人的“非接觸示教"方法?；谒邪l(fā)多模態(tài)柔性傳感界面，示教者利用裸手可以無接觸地、交互地示教軟體機(jī)器人（如連續(xù)體軟體臂），使其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)。這類基于多模態(tài)柔性感知的非接觸的示教方法可以擴(kuò)展人類與軟體機(jī)器人交互方式。這種簡單、高效、友好的非接觸交互示教方式，為軟體機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的交互控制提供了一種新的范式。

圖6. 軟體機(jī)器人非接觸交互示教概念圖：人們通過非接觸示教的方式輕松控制軟體機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)。