机器人作为一种高度自动化的设备已进入到人类生活与工作的各个方面,如工业生产、服务业、医疗护理等领域。随着 AI 等新兴科技的出现与发展,人类对于机器人的需求已从“自动化”上升为“智能化”,希望机器人能…

机器人作为一种高度自动化的设备已进入到人类生活与工作的各个方面,如工业生产、服务业、医疗护理等领域。

随着 AI 等新兴科技的出现与发展,人类对于机器人的需求已从“自动化”上升为“智能化”,希望机器人能够拥有如人一般的感知能力,并能基于感知到的信息做出智能决策,与人类友好相处、相互协作。

而电子皮肤能使机器人获得大幅面多感知的能力,为人机共处提供安全保障,为人机协作提供交互手段。

不过,当前的机器人电子皮肤存在感知功能单一、性能不佳、使用不便、难以大面积扩展、交互能力弱等诸多问题,难以满足智能机器人的实际应用需求。

为此,清华大学精密仪器系朱荣教授和团队采用自主原创的分布式压热传感原理,设计并研制出一种测量范围大、灵敏度高且响应快的新型多功能电子皮肤。该电子皮肤实现了对“接触力、接触位置、接近度和温度”的多模态感知,结合他们所提出的智能交互控制策略,实现了机器人安全防控、人机交互与协作,能够广泛应用于智能机器人领域。

相关研究论文以《多功能电子皮肤让机器人能够安全、灵活地与人类交互》(Multifunctional Electronic Skins Enable Robots to Safely and Dexterously Interact with Human)为题发表在 Advanced Science 上[1],朱荣为通讯作者,该团队的博士生李国朕和博士后柳世强为共同第一作者。


图 | 相关研究论文(来源:Advanced Science)

此前,该团队为解决柔性多感知集成的难题,提出了“压热传感新理论和基于热感应的多模传感新机理”,实现压力、温度、热物性等参数的集成测量,并研制出多功能感知柔性电子皮肤。

相关研究论文于 2017 年以《基于热感应的多功能感知电子皮肤》(Electronic skin with multifunction sensors based on thermosensation)为题发表在Advanced Materials 上 [2],为当期封面论文。

图 | 朱荣研究团队合照(来源:朱荣)

随后,该团队又针对智能机器人对末端机械手精细触觉感知的应用需求,采用压热功能材料与热敏薄膜的多层堆叠设计研制出一种柔性多维触觉传感器。

相关论文于 2020 年以《多维触觉传感器助力机器手物体识别》(Skin-inspired quadruple tactile sensors integrated on a robot hand enable object recognition)为题发表在 Science Robotics [3]。

这种柔性多维触觉传感器实现了多感知(触感、温感、物感等)的原位集成,可应用于机器人灵巧手感知系统,可对物品的材质、形状和温度等进行高精准识别,并成功完成七种垃圾的分类任务。

此次,研究团队进一步面向人机交互对智能感知和智能测控的应用需求,研制出具有大幅面多触觉感知的新型机器人电子皮肤,解决了人机协作应用中的安全防控和柔顺交互控制难题,有望大幅提升机器人任务执行效率和智能化程度。

图 | 新型多功能电子皮肤的原型和传感原理(来源:Advanced Science)

与常规的利用高密度阵列化传感单元实现的电子皮肤不同,这种新型多功能电子皮肤仅采用 4 个分布式压热传感单元就实现了大覆面电子皮肤的力感知与接触位置感知,而且其还集成了温度传感和接近感知功能,可实现人机碰撞前的安全预警和防控,保障人机交互安全。

研究人员指出,由于该电子皮肤触觉感知的量程大(500N)、灵敏度高(0.5N)、响应快(0.09s)且可靠性强,所以利用电子皮肤对机器人实施操控十分灵活和方便。同时其还表现出优异的易扩展性,能够适配不同外形的机械臂,可满足不同类型机器人的需求。

(来源:Advanced Science)

研究人员还提出了新型的人机交互智能控制策略,再结合这种新型电子皮肤的多模态感知性能,机器人可顺利完成自动避障、碰撞检测与安全控制、灵活人机交互以及示教复现等多种任务,并展示了人教机器人打摩斯码、手写字、打太极的实际效果。

据了解,将这种电子皮肤穿戴于机器人体表后,通过人手触摸电子皮肤,就可以轻松操控机器人,实现人类对机器的灵活示教及动作意图传递。相比于传统的编程示教与电流反馈拖动示教,该电子皮肤能够提高机器人示教的安全性、灵活性、精准性和执行效率。

图 | 将新型多功能电子皮肤应用于机器人的人机交互任务,比如示教机器人打摩斯码 (来源:Advanced Science)

该团队表示,这是一项多学科交叉的系统性工作,涉及到先进材料、微纳机电、智能控制和人工智能等多个领域的专业知识,对研究人员的知识面及专业技能有很高的要求。而清华大学精密仪器系正是培养系统级专业人才的摇篮,学科领域覆盖光机电测控等多个方面。

此外,该研究工作得以顺利开展,还离不开国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划和北京市自然科学基金重点项目的支持。

图 | 朱荣(来源:朱荣)

朱荣表示,“这项研究为促进人机安全交互与智能协作提供了一种有效的解决方案,有望加快机器人在智能制造、智能服务、医疗健康等领域的智能化应用进程。”

未来,该团队将致力于开发具有从末端触觉到体表电子皮肤的全触觉感知能力的机器人系统,并将触觉感知与视觉感知、听觉感知相结合,建立具有“视、触、听”多维感知融合的智能机器人系统,研究其在复杂任务或场景中的智能化应用。

-End-

参考:
1.Guozhen Li, Shiqiang Liu, Qian Mao, Rong Zhu*, Multifunctional electronic skins enable robots to safely and dexterously interact with human. Advanced Science, 2022, 2104969.
2.Shuai Zhao, Rong Zhu*, Electronic skin with multifunction sensors based on thermosensation, Advanced Materials. 2017, 29(15), 1606151.

3.Guozhen Li, Shiqiang Liu, Liangqi Wang, Rong Zhu*, Skin-inspired quadruple tactile sensors integrated on a robot hand enable object recognition, Science Robotics. 2020, 5, eabc8134.

admin