人們經(jīng)常向往能夠擁有魔法適應性，以實現(xiàn)各種神奇的操作比如隔空操控節點、隔空取物，即在不主動觸碰某個物體的情況下落地生根，用類似意念的超能力操控物體移動的特點，多用于神話科幻電影或小說。正所謂有效保障，科技來源于想象大數據，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)展到一定程度時講實踐，這種對于超能力的向往數字技術、對神奇操作的想象有時也會成為現(xiàn)實。
2022年8月26日市場開拓，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(tuán)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(jìn)展措施。
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)雜的操作各項要求。能夠?qū)?fù)雜的軟體機器人的運動控制變得大眾可及更高要求，得益于北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)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。在該研究中新技術，基于研究團(tuán)隊所研發(fā)多模態(tài)柔性傳感界面共同學習，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）深入，使其實現(xiàn)復(fù)雜三維運動效高。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)基礎，將人手和軟體機器人之間的距離信號轉(zhuǎn)換為傳感信號性能，進(jìn)而“誘導(dǎo)"機器人的運動多種方式。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技術創新，朵有寧深入交流研討、劉嘉琦、袁菲陽為共同第一作者廣泛應用，文力教授為論文通訊作者關註度。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(zhǔn)領(lǐng)域痛點問題
軟體機器人是一種新型柔軟機器人去完善，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境橋梁作用。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求索。高的靈活性讓人糾結，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)勢穩定發展，在生物工程基石之一、救災(zāi)救援、醫(yī)療領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景能力建設，受到越來越多的關(guān)注模樣。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)服務，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很重要。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)的運動覆蓋，這將有助于軟體機器人在室內(nèi)異常狀況、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高效，并不能很好地應(yīng)用于軟體機器人應用創新，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機構。因此的特性，直接進(jìn)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基礎，則需要在軟體機器人上布置大量傳感器提供堅實支撐。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)高產。
（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信息化技術，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逐步顯現。
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)生多種信號銘記囑托，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)信號自動化裝置、柔軟可變形等特點開放以來。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(jìn)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穩步前行、柔性電極層結構不合理、激勵層、液態(tài)金屬圖案和封裝層組成逐步改善。該團(tuán)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打印提升，該傳感器自身具有較強的柔性和可拉伸性大大提高。
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研究成果。包括柔性介電層(青色)取得了一定進展、柔性電極層(灰色)、刺激層(淺黃色)大面積、液態(tài)金屬(黑色)和封裝層(橙色)積極參與。(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培養，增加表面電荷量進(jìn)而提高非接觸傳感的靈敏度交流研討；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(jìn)液態(tài)金屬腔道變形，進(jìn)而提高接觸傳感的靈敏度形式。(c)印刷在硅膠材料層上的液態(tài)金屬材料的光學(xué)顯微鏡圖像建設應用。(d) FBSS可被彎曲，展示了其柔性日漸深入。(e)樣機可被拉伸(最大拉伸率為58.4%)動力。(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互動式宣講，產(chǎn)生了等密度的負(fù)電荷和正電荷效高性。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自動化。iii)外部物體開始接觸FBSS提升，電子轉(zhuǎn)移量增加，液態(tài)金屬電阻增加落地生根。iv)外部物體與FBSS完的特點。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大數據，電子從柔性電極(灰色)回流到大地非常重要，液態(tài)金屬的電阻減小。vi)隨著外部物體(紅色)與FBSS分離空間廣闊，回流電子增多營造一處，液態(tài)金屬的電阻恢復(fù)到初始狀態(tài)。
研究團(tuán)隊對柔性雙模態(tài)智能傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗測試知識和技能，研究結(jié)果表明取得顯著成效，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)實現。此外該傳感器利用不同材質(zhì)得失電子能力的差異性不容忽視，還可以對接觸物體的材質(zhì)進(jìn)行檢測。最后服務體系，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)定性和耐久性說服力。研究團(tuán)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)球分析，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表示。此外，該傳感器還可以檢測一個羽毛的飄落過程：隨著羽毛逐漸接近非常激烈，傳感器輸出的非接觸信號逐漸增加競爭力所在。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燈控制電路領域，利用人手的接近信號控制控制紅色LED燈亮度溝通機製，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)果帶來全新智能。(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實現了超越、非接觸輸出信號。(c, d)人手指按壓FBSS時的場景和接觸去完善、非接觸輸出信號橋梁作用。當(dāng)檢測到的非接觸信號超過一個閾值時，紅色發(fā)光二極管點亮求索；當(dāng)手指按壓FBSS時讓人糾結，藍(lán)色LED點亮。
在此基礎(chǔ)上穩定發展，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)合基石之一，實現(xiàn)了軟體機器人與環(huán)境、與人的初步交互服務品質。將柔性多模態(tài)智能傳感器放置在一段軟體驅(qū)動器末端的發生，通過人手能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸地直接控制驅(qū)動器的彎曲和收縮組成部分。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)合新的動力，即使軟體手完的過程中。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)地抓葟V泛關註〈龠M進步；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(biāo)物體的搜尋與抓葍瀯蓊I先。弘S著軟體手爪逐漸靠近目標(biāo)物迎來新的篇章，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(biāo)物并進(jìn)行抓取推動並實現，抓取過程中傳感器輸出的接近信號開始逐漸增加薄弱點，最終實現(xiàn)了對目標(biāo)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)優化程度。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)縮短形勢。(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取得明顯成效、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)果數據。
挑戰(zhàn)二：針對軟體機器人的示教交互方式
基于多模態(tài)柔性傳感器創新的技術，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(jìn)行非接觸控制顯著，軟體機械臂運動的步長大小對應(yīng)非接觸信號的大小快速增長，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)備占，操作人員通過裸手即可與軟體機械臂進(jìn)行交互高質量。同時，為了實現(xiàn)對軟體機器人復(fù)雜姿態(tài)的控制激發創作，研究團(tuán)隊另辟蹊徑前景，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增幅最大，利用磁力快速改變傳感器在軟體機器人上的位置共享應用，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)的可行性最新，課題組人員控制軟體機械臂進(jìn)行二維技術創新、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)重要作用。這種示教方式能夠有效地捕捉并抓取空間內(nèi)高持續向好、中習慣、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)進展情況，操作人員可以對復(fù)現(xiàn)過程的速度進(jìn)行控制的積極性，并且根據(jù)用戶的需求做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。此外應用的選擇，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十大行動，便于交互過程中傳感器位置的切換。該方法通過簡單背景下、快速地更換傳感器的位置綜合措施，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)雜位姿的簡單控制自然條件。
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)雜運動設計標準。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(lán)色箭頭表示用戶正在將FBSS從一個位置移動到另一個位置互動互補，以便與軟體機械臂的不同位置進(jìn)行交互發揮重要帶動作用。(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)雜三維空間運動意料之外。
除了簡單的控制軟體機器人完成空間物體的抓取任務(wù)以外文化價值，還可以與軟體機器人進(jìn)行無接觸的互動教學(xué)，從而實現(xiàn)更加復(fù)雜置之不顧、更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)不斷完善。例如，將一根水彩筆安裝軟體臂末端方便，通過示教方式“教會"軟體機械臂在迷宮中行走基礎上；通過示教方式操作軟體機械臂進(jìn)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應用領域，課題組人員在軟體機械臂和目標(biāo)物之間放置一塊障礙物保持競爭優勢，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發展機遇。
圖5. 交互式示教自驅(qū)動軟機器人潛在應(yīng)用的展示完成的事情。(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)的軌跡可以使用。(d)走迷宮實驗示教過程中的信號曲線進入當下。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效高化。
研究團(tuán)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"方法新體系。基于所研發(fā)多模態(tài)柔性傳感界面創造，示教者利用裸手可以無接觸地不難發現、交互地示教軟體機器人（如連續(xù)體軟體臂）貢獻法治，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發展需要。這種簡單攻堅克難、高效、友好的非接觸交互示教方式顯示，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雙向互動。
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)。
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更新時間：2023-02-14
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