柔性傳感器和人工智能模型可以告訴變形的機(jī)器人其身體在3D環(huán)境中的位置。
麻省理工學(xué)院的研究人員首次通過(guò)僅利用來(lái)自其“感測(cè)”皮膚的運(yùn)動(dòng)和位置數(shù)據(jù)，使軟機(jī)械臂能夠了解其在3D空間中的配置。
由柔性材料制成的軟機(jī)器人(類似于在生物體中發(fā)現(xiàn)的材料)被提倡為傳統(tǒng)剛性機(jī)器人提供更安全，更適應(yīng)，更具彈性和生物啟發(fā)的替代產(chǎn)品。但是，對(duì)這些可變形機(jī)器人進(jìn)行自主控制是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)樗鼈兛梢栽谌魏谓o定時(shí)刻沿幾乎無(wú)限個(gè)方向移動(dòng)。這使得很難訓(xùn)練用于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化的規(guī)劃和控制模型。
實(shí)現(xiàn)自主控制的傳統(tǒng)方法使用具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)的大型系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可提供機(jī)器人有關(guān)3D運(yùn)動(dòng)和位置的反饋。但是，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的軟機(jī)器人而言，這是不切實(shí)際的。
在發(fā)表在《IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》上的一篇論文中 ，研究人員描述了一種軟傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋機(jī)器人的身體以提供“本體感覺”，即感知其身體的運(yùn)動(dòng)和位置。該反饋會(huì)進(jìn)入一種新穎的深度學(xué)習(xí)模型，該模型可篩選出噪聲并捕獲清晰的信號(hào)，以估算機(jī)器人的3D配置。研究人員在類似于大象樹干的軟機(jī)器人手臂上驗(yàn)證了他們的系統(tǒng)，該機(jī)器人手臂可以自動(dòng)擺動(dòng)和伸展，可以預(yù)測(cè)自己的位置。
麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的博士后Ryan Truby說(shuō)，傳感器可以使用現(xiàn)成的材料制造，這意味著任何實(shí)驗(yàn)室都可以開發(fā)自己的系統(tǒng)。 CSAIL博士后Cosimo Della Santina。
他說(shuō)：“我們正在對(duì)軟機(jī)器人進(jìn)行傳感，以從傳感器(而不是視覺系統(tǒng))獲取控制反饋，并使用一種非常簡(jiǎn)單，快速的制造方法。” “例如，我們想使用這些柔軟的機(jī)器人樹干來(lái)自動(dòng)定向和控制自己，撿起東西并與世界互動(dòng)。這是邁向這種更復(fù)雜的自動(dòng)化控制的第一步。”
未來(lái)的目標(biāo)之一是幫助制造出可以更加靈巧地處理和操縱環(huán)境中物體的人造肢體。“想想自己的身體：您可以閉上眼睛，并根據(jù)皮膚的反饋來(lái)重建世界。” CSAIL主任Daniela Rus和電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系A(chǔ)ndrew and Erna Viterbi教授合著。“我們希望為軟機(jī)器人設(shè)計(jì)相同的功能。”
塑造軟傳感器
完全集成的人體傳感器是軟機(jī)器人技術(shù)的長(zhǎng)期目標(biāo)。傳統(tǒng)的剛性傳感器會(huì)損害軟機(jī)器人的自然柔韌性，使其設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜化，并可能導(dǎo)致各種機(jī)械故障。基于軟材料的傳感器是一種更合適的替代方案，但是其設(shè)計(jì)需要專門的材料和方法，這使得許多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室難以在軟機(jī)器人中制造和集成它們。
有一天，在他的CSAIL實(shí)驗(yàn)室工作期間，尋找傳感器材料的靈感時(shí)，Truby建立了有趣的聯(lián)系。他說(shuō)：“我發(fā)現(xiàn)這些用于電磁干擾屏蔽的導(dǎo)電材料薄片可以在任何地方成卷購(gòu)買。” 這些材料具有“壓阻”特性，這意味著它們?cè)趹?yīng)變時(shí)會(huì)改變電阻。Truby意識(shí)到，如果將它們放在行李箱上的某些位置，它們可以制成有效的軟傳感器。當(dāng)傳感器響應(yīng)于軀干的拉伸和壓縮而變形時(shí)，其電阻將轉(zhuǎn)換為特定的輸出電壓。然后將該電壓用作與該運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)。
但是這種材料的伸縮性不高，這將限制其在軟機(jī)器人中的使用。受kirigami(折紙的一種變化形式，包括在材料中進(jìn)行切割)的啟發(fā)，Truby設(shè)計(jì)并激光切割了矩形的導(dǎo)電硅膠片，將其切割成各種圖案，例如成排的小孔或類似鏈節(jié)柵欄的縱橫交錯(cuò)的切片。Truby說(shuō)，這使它們更加靈活，可拉伸，“看起來(lái)漂亮”。
研究人員的機(jī)器人軀干包括三個(gè)部分，每個(gè)部分帶有四個(gè)用于移動(dòng)手臂的流體致動(dòng)器(總共12個(gè))。他們?cè)诿總€(gè)段上融合了一個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器覆蓋并收集了來(lái)自軟機(jī)器人中一個(gè)嵌入式執(zhí)行器的數(shù)據(jù)。他們使用了“等離子體鍵合”技術(shù)，該技術(shù)可以使一種材料的表面通電，使其與另一種材料粘合。大約需要幾個(gè)小時(shí)才能成型出數(shù)十個(gè)傳感器，這些傳感器可以使用手持式等離子結(jié)合設(shè)備結(jié)合到軟機(jī)器人上。
“學(xué)習(xí)”配置
如假設(shè)的那樣，傳感器確實(shí)捕獲了行李箱的總體運(yùn)動(dòng)。但是他們真的很吵。“從本質(zhì)上講，它們?cè)谠S多方面都是非理想的傳感器，”特魯比說(shuō)。“但這只是用軟導(dǎo)電材料制造傳感器的普遍事實(shí)。性能更高，更可靠的傳感器需要大多數(shù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室所沒有的專用工具。”
為了僅使用傳感器來(lái)估算軟機(jī)器人的配置，研究人員建立了一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)篩查噪聲以捕獲有意義的反饋信號(hào)來(lái)完成大部分繁重的工作。研究人員開發(fā)了一種新模型，以運(yùn)動(dòng)學(xué)方式描述了軟機(jī)器人的形狀，從而大大減少了處理模型所需的變量數(shù)量。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓軀干擺動(dòng)，并以隨機(jī)配置將自己延伸大約一個(gè)半小時(shí)。他們使用傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲取地面真實(shí)數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練中，該模型分析了來(lái)自其傳感器的數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)配置，并將其預(yù)測(cè)與同時(shí)收集的地面真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過(guò)這樣做，模型“學(xué)習(xí)”了將信號(hào)模式從其傳感器映射到實(shí)際配置。結(jié)果表明，對(duì)于某些更穩(wěn)定的配置，機(jī)器人的估計(jì)形狀與地面真實(shí)情況相符。
接下來(lái)，研究人員旨在探索新的傳感器設(shè)計(jì)以提高靈敏度，并開發(fā)新的模型和深度學(xué)習(xí)方法，以減少每臺(tái)新的軟機(jī)器人所需的訓(xùn)練。他們還希望完善系統(tǒng)，以更好地捕獲機(jī)器人的完整動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳感器皮膚對(duì)捕捉細(xì)微運(yùn)動(dòng)或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)不敏感。但是，對(duì)于目前基于學(xué)習(xí)的軟機(jī)器人控制方法而言，這是重要的第一步，特魯比說(shuō)：“就像我們的軟機(jī)器人一樣，生活系統(tǒng)也不必十分精確。與我們的剛性機(jī)器人相比，人類不是精密的機(jī)器，而且我們做得很好。”