机器人也能有触觉：北航造了根机器手指 纹理识别准确率100％

研究团队对他们创建的原型系统进行了一系列测试评估其触觉传感技术，发现该系统在物体纹理和刚度识别方面分别达到了100%和99.7%的准确率。

该研究已在论文预印本发布平台arXiv上预发表，论文题目为《用肌腱驱动的软机器人手指进行触觉感知（Tactile Sensing with a Tendon-Driven Soft Robotic Finger）》

论文链接：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2107/2107.02546.pdf

一、研究者从人体得到灵感，让机器手拥有触觉

近年来，全球众多机器人专家都在尝试开发出一种可以复制人类触觉的机器人系统，同时也在尝试使用柔软材料替代刚性结构，创造出更加逼真、更加先进的仿生肢体和类人机器人。

柔软材料在采集触觉信息方面具有纹理采集上的优势，但是由柔软材料制成的机械手臂通常无法收集更广泛的感官信息。迄今为止，复制人类收集物体触觉信息的生物机制仍是极具挑战性的一件事。

过去的研究中往往使用刚性手指测量接触刚度（contact stiffness），这些方法根据手指的运动学模型估计手指和物体间的接触力和手指的位移，来对接触刚度进行计算。然而这一方法很难被用到软体机器人手指上，因为软体机械手过于柔软，运动学建模很困难，且结果通常不太准确。

而北京航空航天大学的这个研究团队从在人类身上发现的本体感觉框架（proprioception framework）上得到灵感，开发出了新的触觉传感技术，使软体机器手拥有了触觉，能够感知物品的纹理与刚度。

“当你蒙上眼睛并捂上耳朵时，仍可以感觉到你的手部姿势、手臂位置或手里提的食品袋的重量，这种能力就被称作本体感觉。我们一直在进行一个假手研究项目，并努力寻找让假手拥有触觉反馈的办法。”这项研究的参与者之一Chang Cheng说。

二、有触觉的机器手指纹理识别准确率可达100%

在过去，机器人研究者通常不会将本体感觉与触觉相关联，因为人类的本体感觉机制并不会有特别精确的反馈。然而工业传感器比人类本体感受器官灵敏的多，将它们用于机器人手指可以帮助研究者收集更精确的触觉反馈。

北航的这个研究团队创建的机器手原型系统由线性执行器（linear actuator）、肌腱/电缆（tendon/cable）、应变传感器（strain sensor）和一个软体机器人手指组成，另外还有一个用聚氨酯制成的套子套在在手指的末端，以模仿人的指尖。

▲机器手原型系统

机器手指的肌腱与执行器相连，应变传感器则被安装在肌腱的中间位置。当执行器被驱动时，它会拉动肌腱让手指弯曲或伸直，肌腱上的应变（strain）也会相应的产生变化。当手指触摸不同的物体时，传感器会输出一系列应变信号来表征所触摸的物体。

研究者用8个不同的纹理板和4个不同刚度的圆柱体对机器手指进行试验。

触觉感应测试中，研究者让机械手指以较慢的速度划过纹理板表面，由此产生的肌腱应变则被记录下来，每个纹理板上共进行了60次试验。

刚度感应测试实验中，用于试验的圆柱体被放置在手指下方，手指被激活后便会对物体施加压力，这种状态会保持4秒钟。实验中肌腱应变的各阶段数据同样会被记录。

之后，研究团队利用机器学习模型对这些数据进行分析，最终可识别出相应的物体纹理或物体刚度。经过验证，该方法在物体纹理的识别上达到了100%的准确度，在物体刚度识别方面准确度也达到了99.7%。

▲进行纹理和刚度感应测试的试验过程

三、该技术将用于开发机器人和假肢

“现有的关于神经支配仿生手指的研究大多都在之间表面安装传感器，虽然这些研究取得了不错的结果，但它们需要指尖传感器和物体进行精确的接触，这在实践中往往无法获得保证。”Chang Cheng说，“而我们的研究的关键又是在于传感单元位于肌腱上，因此手指上任何地方的接触都能产生特征信号输出，并可以用来推断触觉信息。”

该研究团队将传感器嵌入机器人的肌腱上实现新的触觉传感方法，这是一种前所未有的方式，经过试验他们发现这有很高的应用潜力。

将来，他们开发的这种系统可以用于开发更加先进的机器人和假肢。这些机器人和假肢可以拥有触觉并利用本体感觉反馈，而无需与物体表面进行完美或精确的接触。

Chang Cheng说：“我们现在正在探索该系统的滑动检测能力。当人类操纵或抓住某种东西时，滑动是不可避免的，因此检测和控制滑动对于机器人能否稳健可靠的控制物体来说至关重要。我们相信滑动检测将是一个很好的功能添加，我们的初步实验已经显示出非常有希望的结果。”

除了进一步开发这一系统外，该研究团队还正与一家纳米技术实验室开发一种低成本的触觉传感器，这种传感器可以感知力或扭矩信号，并可以放置在机器人的指尖上。他们已经创造了这种设备的原型，正在评估其性能。

结语：触觉传感技术让假肢也能拥有触觉

柔软材料在采集触觉信息方面有着较明显的优势，并且由于其自身柔软的特性，与刚性材料相比更加适合用于制造仿生肢体和类人机器人。

在过去让软体机器人拥有触觉是一件较为困难的事，而该研究团队从人体和哺乳动物身上得到启发，巧妙的解决了这一问题，让机器人手指不仅可以识别物体纹理，还能识别物体刚度。

这一技术将被用于机器人开发和假肢制造上，让机器人和假肢也能拥有触觉。