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吳豪團隊開發超材料電子皮膚用于機器人抓握狀態監測

作者:黃鑫編輯:吳仰天發布:2022-02-21點擊量:

近日,柔性電子領域著名國際期刊《Advanced Functional Materials》(影響因子18.808)在線刊發了我吳豪研究員團隊在機器人電子皮膚領域的新成果,題為“Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real-time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation(用于實時檢測機器人操作中的不穩定抓取的柔性機械超材料電子皮膚)”。我院博士研究生黃鑫為論文第一作者。我院研究員吳豪為通訊作者,復旦大學研究員李卓為共同通訊作者。

共融機器人與環境自然和諧交互依賴于其感知能力,而觸覺感知是機器人實現高效準確抓取與靈巧操作的關鍵技術。觸覺傳感器能為機器人靈巧手準確完成操作任務提供接觸物體屬性,接觸力以及接觸狀態等參數,是實現機器人在復雜且動態環境下的精準靈巧操作的關鍵技術。機器人操作任務的失敗往往會造成較大的時間和經濟損失。以靈巧操作中的最常見的抓握操作為例,不穩定抓取不僅會延長完成抓取任務的時間,還會對操作對象、機器人以及相關人員造成傷害。因此,亟需開發能夠實時監測機器人抓握狀態的感知系統。近年來,開發類似于人體皮膚觸覺感知功能的機器人電子皮膚成為研究熱點,但由于傳感器性能和大規模數據處理等方面的挑戰,電子皮膚在實際機器人抓取和操作中的實用性相當有限。

吳豪團隊創造性地將負泊松比超材料結構引入柔性電子皮膚的設計制備,并根據電子皮膚傳感信號時域和頻域特征,而不是神經網絡黑盒模型,準確判斷機器人抓握狀態,對滑移的監測響應達到了人手皮膚的水平。超材料結構的引入一方面增加了傳感的靈敏度,另一方面使傳感器具有從壓縮應變到拉伸應變的寬線性響應范圍。所制備的傳感器在40%壓縮應變到80%拉伸應變區間內均具有良好的線性響應,并且與沒有超材料結構的傳感器相比具有更高的靈敏度。在該傳感器的基礎上,研究團隊還提出一種實時檢測機器人不穩定抓握狀態的通用方法。該方法借助相關分析和小波分解提取陣列傳感器信號的時域和時頻域特征。最終,通過對提取出的時間相關系數(時域特征)和小波系數(時頻域特征)進行實時監測以實現對不穩定抓握狀態的實時識別,總的檢測響應時間最快可達100ms,幾乎與人的反應時間相當。仿生五指手和三指軟抓手的一系列不穩定抓握狀態的準確識別證實了算法的有效性,表明超材料傳感器和不穩定抓握狀態識別算法在機器人感知和靈巧操作方面具有廣闊的應用前景。后續將對傳感器和算法進一步改進,使算法不僅能檢測不穩定抓握發生的空間位置和程度等一系列詳細信息,還可以控制機械手將不穩定抓握狀態調整為穩定抓握狀態。

相關工作得到了國家自然科學基金委項目(51820105008,U2013213,92048302)支持。


相關鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202109109

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