类人机器人的综合智能触觉系统

研究背景

人工智能(AI)的快速发展及其与机器人技术的结合，使机器人的应用从制造领域扩展到日常生活以及医疗卫生领域。智能机器人需要能够识别复杂变形和环境互动的各种感知系统。除了视觉、听觉和嗅觉感知能力，触觉感知在面向服务的应用中的需求越来越大，因为触摸模拟需要开发具有高空间分辨率、高灵敏度和快速响应的大规模压力传感器阵列。具有智能触觉感知能力的智能机器人可以作为医疗环境中的护理机器人，协助人类并增强其能力和安全的协作机器人，在制造业生态系统中实现更高的工作精度的工业机器人，更安全和更有情感的医疗康复机器人，以及在世界不可预测和不可进入地区的探索性机器人。因此，机器人在相互之间、与周围环境以及与人类的交往中可以更加友好，为人类用户产生更丰富、更有成效的体验。

智能机器人研究的最终目标是开发能够模仿人类皮肤对刺激的全方位反应的机器人，因为后者在人类的日常互动中起着关键作用。人类皮肤的刺激反应机制由三部分组成：信息获取(皮肤)、处理(大脑运动控制区) 和传输(神经)。这使人类能够感受、称量并以适量的力/压力抓取各种物体。基于人类的这一机制，开发具有完整触觉反馈闭环功能的智能机器人将需要高分辨率的传感器皮肤，解释传感器信息的算法，以及与皮肤、神经和大脑的耦合功能相对应的机器人的可靠反馈控制。以前在这方面的广泛努力集中在提高传感器的性能上，如高灵敏度、宽检测范围和高分辨率，同时还有可拉伸性、多功能、生物降解性和自我修复。然而，关于反馈闭环功能的研究很少，因为这样的努力需要机器人工程师、计算机和数据科学家以及材料科学家之间的密切合作。模仿人类皮肤或在机器人中整合这种能力是一项复杂而又鼓舞人心的科学研究，因为未来的机器人将需要一种反馈能力来为人类完成琐碎的任务。为了赋予机器人触觉感知能力，必须解决触觉系统中的感知-反馈功能问题。

研究成果

触觉感知是人类运动的基础。实现人工触觉是智能机器人和人工智能(AI)领域的挑战之一因为触摸模拟依赖于高性能的压力传感器阵列、信号读取、信息处理和反馈控制。中科院纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员团队报告了一个集成的智能触觉系统 (IITS)，该系统与仿人机器人集成，以实现类似人类的人工触觉感知。IITS 是一个闭环系统，包括一个多通道触觉传感电子皮肤，一个数据采集和信息处理芯片，以及一个反馈控制。通过定制预设的闻值压力，IITS 集成的机器人可以灵活地抓取各种物体。IITS 在设计假手、空间操纵器、深海探测机器人和人与机器人的互动方面具有潜在的应用。相关研究以“Integrated intelligent tactile system for a humanoid robot”为题发表在Science Bulletin期刊上。

图文导读

Fig. 1. Working mechanism of the IITS. IITS is composed of three parts: front-end stimulus perception based on tactile sensors array (skin-like epidermis), real-time sensor information acquisition (neural network), and back-end data processing, analysis, interpretation and closed-loop feedback control (brain).

Fig. 2. Design, fabrication, and characterizations of the tactile sensing skin.

Fig. 3. Design of a data acquisition and information processing chip.

Fig. 4. Controlled grasping of a balloon by IITS.

Fig. 5. Controlled grasping of a paper cup and a silkworm.

Fig. 6. Flexible grasping of a Robot by IITS.

总结与展望

总之，基于灵敏度为0.017  kPa-1的柔性多孔压力传感器、250 kPa的宽范围检测压力、信息采集/解释的实时传感器和闭环反馈控制，设计了一个IITS。IITS 可以实现智能机器人手的实时触觉感应和抓取控制。通过考虑被抓物体的硬度、表面粗糙度和脆性，得到了IITS的CT预设值。通过比较机器人手上的实时压力分布和预设的 CT 值，ITS 决定何时停止抓取和提升物体，并抓取柔软的物体(如纸杯、蛋糕、气球和活蚕)而不损坏它们。该系统模拟了人类皮肤、神经和肌肉的触觉和运动反馈过程，并可直接连接到现有智能机械的表面。因此它具有结构紧凑和易于安装的优点，不需要强迫对机械结构进行任何重大改变。因此，该系统可能在协作机器人、工业机器人、医疗康复机器人以及包括太空和深海机器人在内的探索性机器人方面有广泛的应用。因此，IITS 可能会刺激智能机械和机器人领域的技术革新。

文献链接

Integrated intelligent tactile system for a humanoid robot

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.04.019

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