创新形状与接触检测系统增强连续体机器人安全性
日本先进科学技术研究院(JAIST),石川,日本
人触摸机器人时,机器人改变运动避免碰撞。(图片来源:JAIST Van Anh Ho)
仿生连续体机器人感知挑战
自然界中章鱼柔性触手、大象鼻子等生物展现非凡灵巧性。受此启发,研究人员致力于开发高柔性连续体机器人以提供鲁棒性和安全性。理想连续体机器人特征是拥有超出大多数任务所需的自由度(DOF)和关节数量。这些特性允许动态调整修改形状,避开障碍和意外情况。然而,复杂运动使其形状和运动难以表征。
求解连续体机器人运动学和动力学问题的传统分析技术依赖复杂建模,增加计算成本。另一种选择是内置柔性传感器追踪形状运动,但需大量低分辨率传感器,系统笨重。更有前景方案是末端单一感知模块。但此方向先前研究多聚焦机器人姿态,未解决接触检测。
ConTac系统:形状重建与接触检测一体化
针对这一空白,日本研究团队在副教授Van Anh Ho带领下开发新系统ConTac。该系统可估计带软皮肤机械臂的形状和接触。
"该系统最终目标用于连续体机器人,但本研究聚焦用关节机械臂和软皮肤验证感知。"——Ho博士。团队包括JAIST博士生Tuan Tai Nguyen、Quan Khanh Luu,以及河内VNU-UET大学Dinh Quang Nguyen博士。
ConTac系统包含模仿连续体机器人弯曲的主链、带标记软皮肤、观察皮肤变形的相机、皮肤形状和接触感知模型、接触感知控制机制。系统可应用于任何ConTac单元或相同机制形式机器人,无需校准。
ConTac单元是组装的连续体仿真机械臂,含主链和软皮肤。研究者还开发基于感知信息引导机械臂运动的导纳控制器。此外ConTac单元成本效益高,可用常规材料制造。
深度学习模型与迁移能力
创新系统采用两个深度学习模型进行软连续体皮肤形状重建和接触检测。模型完全用仿真图像训练,直接迁移到真实机器人无需微调,节省时间资源。系统迁移性在两个不同ConTac单元测试,无额外调整表现相似。
"ConTac系统旨在用于各种机器人系统,无需复杂调整。配备我们系统的柔性机械臂适合智慧农业和医疗服务,机器人须在多障碍环境导航并安全与人互动。柔软灵活加上环境感知能力使其完美适配植物和患者互动。"——Ho博士
本框架感知和控制原理可催生可附着任何现有机器人系统的新触觉传感器,提供安全人机交互新感知控制范式,无需改变机器人原始设计。"想象一个每个机器人和机器都拥有触觉的社会。这种变革将彻底改变工业和日常生活。"Ho博士说。
更多信息请联系Van Anh Ho,邮箱:此邮箱受反垃圾邮件保护,需启用JavaScript查看;电话:+81 761-51-1584。
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