基于超精密3D打印柔性傳感的軟體機器人“非接觸式”交互示教

更新時間：2023-02-14

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

2022年8月26日，國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）報道了北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院仿生機器人研究團隊文力課題組在軟體機器人交互控制領(lǐng)域取得的最新進展。

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)雜的軟體機器人的運動控制變得大眾可及，得益于北京航空航天大學(xué)研究團隊最新提出的基于雙模態(tài)智能傳感界面的軟體機器人非接觸交互示教方法。在該研究中，基于研究團隊所研發(fā)多模態(tài)柔性傳感界面，示教者在不接觸軟體機器人、無任何穿戴設(shè)備的情況下利用裸手交互地示教軟體機器人（如連續(xù)體軟體臂），使其實現(xiàn)復(fù)雜三維運動。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)，將人手和軟體機器人之間的距離信號轉(zhuǎn)換為傳感信號，進而“誘導(dǎo)"機器人的運動。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)機械工程及自動化學(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)計算機系為本研究的合作單位。

瞄準領(lǐng)域痛點問題

軟體機器人是一種新型柔軟機器人，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，因此軟體機器人有著極。高的靈活性，并且軟體機器人與生俱來的高度適應(yīng)性，使其在與人類互動方面同傳統(tǒng)的剛性機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)人員在使用軟件機器人實現(xiàn)特定動作及執(zhí)行特定任務(wù)時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)軟機器人實現(xiàn)對應(yīng)的運動，這將有助于軟體機器人在室內(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)用于軟體機器人，其主要是由于軟體機器人順應(yīng)性高、具有無限自由度的自身特性。因此，直接進行“拖拽"會使軟體機器人產(chǎn)生很大的被動變形。如果想檢測這些被動變形，則需要在軟體機器人上布置大量傳感器。在解決軟體機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)軟體機器人自身柔軟的特性，因此用于人機交互的傳感器應(yīng)具有檢測多模態(tài)信號、柔軟可變形等特點。課題組基于摩擦納米發(fā)電機原理和液態(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行實時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、激勵層、液態(tài)金屬圖案和封裝層組成。該團隊利用新型微立體面投影光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)實現(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促進液態(tài)金屬腔道變形，進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)樣機可被拉伸(最大拉伸率為58.4%)。(f)樣機的接觸/非接觸傳感機制：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)生了等密度的負電荷和正電荷。ii)當(dāng)外部物體接近柔性介電層時，自由電子被驅(qū)動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)。

研究團隊對柔性雙模態(tài)智能傳感器進行了系統(tǒng)的實驗測試，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)進行檢測。最后，實驗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。研究團隊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，在整個過程傳感器可以實時感知和區(qū)分網(wǎng)球的接近和擊中傳感器的逐個階段。此外，該傳感器還可以檢測一個羽毛的飄落過程：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)的高速相機圖像和接觸、非接觸輸出信號。(c, d)人手指按壓FBSS時的場景和接觸、非接觸輸出信號。當(dāng)檢測到的非接觸信號超過一個閾值時，紅色發(fā)光二極管點亮；當(dāng)手指按壓FBSS時，藍色LED點亮。

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器人結(jié)合，實現(xiàn)了軟體機器人與環(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)動器末端，通過人手能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸地直接控制驅(qū)動器的彎曲和收縮。這給人一種魔法般的體驗；將柔性多模態(tài)傳感器與氣動折紙結(jié)構(gòu)軟體手結(jié)合，即使軟體手完。全埋進沙子依舊能夠感知附近玩具昆蟲的接近信息，并對其進行精準地抓??；柔性多模態(tài)智能傳感器與氣動驅(qū)動軟體手爪結(jié)合，亦可實現(xiàn)運動路徑上目標物體的搜尋與抓?。弘S著軟體手爪逐漸靠近目標物，傳感器輸出的非接觸信號逐漸增加，當(dāng)超過一定閾值時系統(tǒng)判定為軟體抓手找到了目標物并進行抓取，抓取過程中傳感器輸出的接近信號開始逐漸增加，最終實現(xiàn)了對目標物體的成功抓捕。

圖3. 自驅(qū)動軟體機器人被人和環(huán)境的非接觸信號觸發(fā)。氣動三自由度軟體機械臂被人手的接近信號觸發(fā)實現(xiàn)(a)彎曲和(b)縮短。(c)裝有FBSS的氣動軟體折紙機器人成功檢測并抓住玩具昆蟲。(d)一個裝備有FBSS的軟體抓手自主搜索、檢測和抓取塑料圓柱體物體，(e)在這個過程中接觸和非接觸信號隨時間變化的結(jié)果。

挑戰(zhàn)二：針對軟體機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根波紋管式氣動驅(qū)動器組成，末端有一氣動軟體手）氣動軟體機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行非接觸控制，軟體機械臂運動的步長大小對應(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械臂進行交互。同時，為了實現(xiàn)對軟體機器人復(fù)雜姿態(tài)的控制，研究團隊另辟蹊徑，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器人上的位置，從而實現(xiàn)對軟體機器人各個驅(qū)動段的位姿控制。

為簡單驗證上述示教控制系統(tǒng)的可行性，課題組人員控制軟體機械臂進行二維、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，實現(xiàn)了對每一段的高效交互控制，最終實現(xiàn)了整個軟體復(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械臂實現(xiàn)復(fù)雜運動。FBSS I和FBSS II隨時間變化的非接觸和接觸信號的歸一化結(jié)果。每個圖中的紅色和藍色箭頭表示用戶正在將FBSS從一個位置移動到另一個位置，以便與軟體機械臂的不同位置進行交互。(a)示教者使用“傳感器換位與示教"方法操縱軟體臂實現(xiàn)二維空間運動。(b) 使用“傳感器換位與示教"方法操縱軟體臂實現(xiàn)復(fù)雜三維空間運動。

除了簡單的控制軟體機器人完成空間物體的抓取任務(wù)以外，還可以與軟體機器人進行無接觸的互動教學(xué)，從而實現(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"軟體機械臂在迷宮中行走；通過示教方式操作軟體機械臂進行咽拭子采樣。為更好地展現(xiàn)軟體機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械臂和目標物之間放置一塊障礙物，通過示教方式，“教會"軟體機械臂越過障礙并成功抓取一朵花。

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

研究團隊提出一種基于多模態(tài)柔性傳感的軟體機器人的“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、交互地示教軟體機器人（如連續(xù)體軟體臂），使其實現(xiàn)復(fù)雜三維運動。這類基于多模態(tài)柔性感知的非接觸的示教方法可以擴展人類與軟體機器人交互方式。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器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)。