近日，由北京大學(xué)人工智能研究院、北京大學(xué)武漢人工智能研究院、北京通用人工智能研究院、北京大學(xué)工學(xué)院和倫敦瑪麗皇后大學(xué)聯(lián)合組成的科研團(tuán)隊(duì)取得一項(xiàng)重大突破——“高分辨率觸覺(jué)感知機(jī)器手實(shí)現(xiàn)類(lèi)人適應(yīng)性抓取”，該成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·機(jī)器智能》上。
人的手部具有結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、功能極為精密的特點(diǎn)，由27塊骨骼和34塊肌肉組成，提供了24個(gè)自由度的靈活性。人在拿取物體時(shí)涉及“觸覺(jué)反饋”與“運(yùn)動(dòng)功能”兩大能力：觸覺(jué)反饋包含運(yùn)動(dòng)覺(jué)（通過(guò)肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)感知力量）與皮膚觸覺(jué)（通過(guò)皮膚感知接觸狀態(tài)、紋理、溫度、摩擦力等物理特性）；運(yùn)動(dòng)功能包括運(yùn)動(dòng)學(xué)（研究關(guān)節(jié)的角度、位置及其運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系）與動(dòng)力學(xué)（研究力和扭矩應(yīng)該如何作用于關(guān)節(jié)和肢體，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制）。
對(duì)人類(lèi)手部功能的研究是具身智能與機(jī)器人學(xué)科研的前沿領(lǐng)域。此次聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的F-TAC Hand，是國(guó)際首個(gè)同時(shí)具備全手高分辨率觸覺(jué)感知和完整運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人手系統(tǒng)。
解決“觸覺(jué)反饋”難題
在以往的研究中，觸覺(jué)反饋與運(yùn)動(dòng)能力的整合被認(rèn)為是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。一方面，從硬件角度來(lái)看，如何避免觸覺(jué)傳感器的引入對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性造成影響是第一個(gè)難題，而且，當(dāng)前的觸覺(jué)傳感技術(shù)在覆蓋率、分辨率和耐久性等方面也難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。另一方面，獲得了具備高分辨率觸覺(jué)感知能力的機(jī)械手，下一個(gè)難題則是如何高效地處理大量的觸覺(jué)數(shù)據(jù)，并以此驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使其在高自由度空間中像人一樣完成復(fù)雜的任務(wù)。
在缺乏豐富觸覺(jué)反饋的情況下，目前主流的機(jī)器人手或抓取器難以應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境中的復(fù)雜操作任務(wù)。聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)的成果是首次在保持完整運(yùn)動(dòng)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手掌表面70%區(qū)域的高分辨率觸覺(jué)覆蓋，使機(jī)器人能夠像人類(lèi)一樣通過(guò)觸覺(jué)反饋進(jìn)行精確操作和適應(yīng)性抓取。
“人類(lèi)在抓取一個(gè)裝滿(mǎn)水的杯子與一個(gè)空杯子時(shí)，抓握杯子的位置、角度、方式可能完全不同。然而，在機(jī)器人領(lǐng)域，如何在不影響運(yùn)動(dòng)功能的前提下實(shí)現(xiàn)全手觸覺(jué)覆蓋一直是一個(gè)難題?！闭撐牡谝蛔髡?、北京大學(xué)人工智能研究院博士生趙秭杭介紹，F(xiàn)-TAC Hand的高分辨率觸覺(jué)傳感器空間分辨率達(dá)到0.1毫米，相當(dāng)于每平方厘米約有10000個(gè)觸覺(jué)像素，遠(yuǎn)超目前商用機(jī)器人手的觸覺(jué)感知能力，例如目前最先進(jìn)的機(jī)器人手Shadow Hand，僅在指尖提供單點(diǎn)力傳感。
實(shí)現(xiàn)高分辨率感知和多樣化抓取
趙秭杭介紹，人類(lèi)手部觸覺(jué)系統(tǒng)由兩個(gè)關(guān)鍵要素組成：遍布皮膚的密集觸覺(jué)傳感器陣列和大腦中專(zhuān)門(mén)解釋這些海量感覺(jué)輸入的神經(jīng)處理機(jī)制。F-TAC Hand模擬了這種設(shè)計(jì)，將17個(gè)高分辨率觸覺(jué)傳感器以6種不同配置集成在一起，同時(shí)巧妙地將傳感器設(shè)計(jì)為既是感知元件又是結(jié)構(gòu)部件，從而在不犧牲靈活性的前提下實(shí)現(xiàn)前所未有的觸覺(jué)覆蓋范圍。這種設(shè)計(jì)使F-TAC Hand能夠像人類(lèi)手掌一樣，在抓取過(guò)程中實(shí)時(shí)感知接觸變化并迅速調(diào)整，極大提升了機(jī)器人在不確定環(huán)境中的操作穩(wěn)定性。
“機(jī)器人手高度的關(guān)節(jié)靈活性會(huì)給控制算法帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，我們通過(guò)開(kāi)發(fā)一種生成人類(lèi)多樣化抓取策略的算法來(lái)解決這一問(wèn)題。該算法基于概率模型，能夠?qū)崿F(xiàn)與人類(lèi)非常相似的抓取方式，涵蓋了人類(lèi)常見(jiàn)的19種抓取類(lèi)型?！闭撐墓餐谝蛔髡摺⒈本┩ㄓ萌斯ぶ悄苎芯吭翰┦可钣铒r解釋。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)理論上最優(yōu)的抓取策略在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中遇到障礙時(shí)，F(xiàn)-TAC Hand能夠在約100毫秒內(nèi)感知情況并快速切換到替代策略，確保任務(wù)完成。相比沒(méi)有觸覺(jué)反饋的系統(tǒng)，F(xiàn)-TAC Hand在面臨執(zhí)行誤差和物體碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)表現(xiàn)出顯著的適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)，平均成功率從53.5%提升至100%。這種基于觸覺(jué)的閉環(huán)反饋機(jī)制，使F-TAC Hand能夠像人類(lèi)一樣，在不確定環(huán)境中保持高效靈活的操作能力。
在論文通訊作者、北京大學(xué)人工智能研究院助理教授朱毅鑫看來(lái)，這項(xiàng)研究成果在對(duì)操作精度有極高要求的輔助手術(shù)、高精密組裝類(lèi)工作以及航空航天、應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域有廣泛的落地場(chǎng)景?！拔磥?lái)我們將繼續(xù)深化觸覺(jué)感知與機(jī)器人控制的結(jié)合，探索更加智能的體感交互范式，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的通用人工智能奠定基礎(chǔ)?！敝煲泠握f(shuō)。
（受訪者供圖）
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-5268-0.html觸覺(jué)機(jī)器手首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下靈巧抓取
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