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數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多相機(jī)觸覺傳感器，讓機(jī)器人皮膚兼具觸覺和視覺
對(duì)于人類來說，“觸覺”在日常活動(dòng)時(shí)起著至關(guān)重要的作用。在拾取物體等任務(wù)時(shí)，人們通過觸覺能感受到物體的硬或軟，輕或重，溫暖或寒冷，觸摸與視覺相結(jié)合，讓我們避免損壞它們。在科技迅速發(fā)展的今天，已誕生了能夠走、跑、看、說、聽等功能的機(jī)器人。但機(jī)器人觸覺的研究還相對(duì)落后，需要開發(fā)新技術(shù)來克服其中一些問題。
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種多相機(jī)光學(xué)觸覺傳感器，該傳感器提供了施加到其表面的接觸力分布信息。與大多數(shù)現(xiàn)有的基于攝像頭的觸覺傳感器相比，該傳感器無需使用諸如鏡子之類的附加反射組件，因此具有更大的接觸表面和更薄的結(jié)構(gòu)。在arXiv預(yù)發(fā)表的一篇論文（題為：Towards vision-based robotic skins: a data-driven, multi-camera tactile sensor）介紹了這種可用于機(jī)器人皮膚的多相機(jī)觸覺傳感器。
多相機(jī)傳感器。 圖片提供：Trueeb，Sferrazza和D’Andrea
“與現(xiàn)代相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的視覺功能相比，機(jī)器人的觸感還非常欠發(fā)達(dá)。” 該項(xiàng)研究的研究人員Camill Trueeb表示：“基于視覺的觸覺皮膚旨在彌補(bǔ)這項(xiàng)欠缺，利用視覺傳感器和先進(jìn)的人工智能算法，該觸覺傳感器可以獲得大量數(shù)據(jù)和計(jì)算能力。”
多相機(jī)觸覺傳感器由四個(gè)攝像頭組成，這些攝像頭位于柔軟、透明的材料下面，該材料內(nèi)部含有嵌入式的散布球形顆粒。攝像頭能跟蹤這些球形顆粒的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有外力施加到材料上時(shí)，材料的變形會(huì)引發(fā)這些球形顆粒的運(yùn)動(dòng)。
研究人員還開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）架構(gòu)，該架構(gòu)可以分析材料中球形粒子的運(yùn)動(dòng)。通過分析球形粒子的運(yùn)動(dòng)，該系統(tǒng)可以重建導(dǎo)致材料變形的力，也稱為接觸力分布。
研究人員解釋說：“我們使用相對(duì)便宜的相機(jī)，生成大量高分辨率的圖像信息，總計(jì)提供約65,000像素的圖像，這對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的觸覺傳感器非常重要。”
多相機(jī)觸覺傳感器不僅能提供大多數(shù)現(xiàn)有機(jī)器人上用的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器能那樣的總力值，還提供了施加在其柔軟表面上的所有力的分布的反饋，從而能解耦法向分量和切向分量。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與其他基于攝像頭的觸覺傳感器相比，新型多攝像頭觸覺傳感器因?yàn)椴恍枰砑悠渌瓷浣M件（例如鏡子），而具有更大的接觸表面和更薄的結(jié)構(gòu)。
研究人員表示：“使用多個(gè)攝像機(jī)可以使用這種類型的觸覺傳感器能覆蓋任意形狀的較大區(qū)域。這項(xiàng)工作也顯示了如何將在子集攝像機(jī)上獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他攝像機(jī)上，從而高效獲得一種可擴(kuò)展數(shù)據(jù)的方法。”
由AI驅(qū)動(dòng)的多攝像頭傳感器最終可以擴(kuò)展到更大的表面，從而創(chuàng)建柔軟且可感應(yīng)的機(jī)器人皮膚。在最近的論文中，研究人員討論了如何將其機(jī)器學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行改編優(yōu)化，從而在將來促進(jìn)其在機(jī)器人上的應(yīng)用。
對(duì)于未來的打算，研究人員表示，他們現(xiàn)在計(jì)劃擴(kuò)展傳感器的功能，以重建與復(fù)雜和通用形狀的物體接觸的信息。“我們認(rèn)為傳感算法的開發(fā)應(yīng)始終考慮到數(shù)據(jù)效率組件，以促進(jìn)在機(jī)器人技術(shù)中的廣泛使用，因此，我們也將在未來的工作中朝這個(gè)方向發(fā)展。”