机械手只需一个抓握即可识别物体

受人类手指的启发，麻省理工学院的研究人员开发了一种机器人手，它使用高分辨率的触摸感应在抓取物体一次后准确识别物体。

许多机器人手将所有强大的传感器装入指尖，因此物体必须与这些指尖完全接触才能被识别，这可能需要多次抓取。其他设计使用沿整个手指分布的较低分辨率传感器，但这些传感器无法捕获太多细节，因此通常需要多次重新抓取。

取而代之的是，麻省理工学院的团队建造了一个机器人手指，其刚性骨架包裹在柔软的外层中，在其透明的“皮肤”下集成了多个高分辨率传感器。传感器使用摄像头和LED来收集有关物体形状的视觉信息，沿手指的整个长度提供连续感应。每个手指同时捕获对象多个部分的丰富数据。

利用这种设计，研究人员构建了一个三指机器人手，只需一次抓取即可识别物体，准确率约为85%。刚性的骨架使手指足够强壮，可以拿起重物，如钻头，而柔软的皮肤使它们能够安全地抓住柔韧的物品，如空的塑料水瓶，而不会压碎它。

这些柔软的刚性手指在设计用于与老年人互动的家庭护理机器人中特别有用。机器人可以用帮助个人洗澡的同一只手将重物从架子上抬起。

“拥有软元素和刚性元素在任何手上都非常重要，但能够在非常大的区域执行出色的传感也非常重要，特别是如果我们想考虑执行非常复杂的操作任务，例如我们自己的手可以做的事情。我们这项工作的目标是将所有使我们人类的手如此出色的东西组合成一个机器人手指，可以完成其他机器人手指目前无法完成的任务，“机械工程研究生Sandra Liu说，他是一篇关于机器人手指的研究论文的共同主要作者。

刘与共同主要作者和机械工程本科生Leonardo Zamora Yañez和她的导师Edward Adelson撰写了这篇论文，Edward Adelson是大脑和认知科学系的John and Dorothy Wilson视觉科学教授，也是计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的成员。该研究将在3月7日至<>日在新加坡举行的RoboSoft会议上发表。它现在可以在arXiv预印本服务器上使用。

受人类启发的手指

机器人手指由一个刚性的3D打印内骨骼组成，该内骨骼被放置在模具中并包裹在透明的硅胶“皮肤”中。将手指放入模具中，无需使用紧固件或粘合剂将硅胶固定到位。

研究人员将模具设计成弯曲的形状，因此机器人手指在休息时略微弯曲，就像人类手指一样。

“硅胶在弯曲时会起皱，所以我们认为，如果我们把手指模压在这个弯曲的位置，当你更多地弯曲它来抓住一个物体时，你不会引起那么多的皱纹。皱纹在某些方面是好的 - 它们可以帮助手指非常光滑和轻松地沿着表面滑动 - 但我们不希望我们无法控制的皱纹，“刘说。

The endoskeleton of each finger contains a pair of detailed touch sensors, known as GelSight sensors, embedded into the top and middle sections, underneath the transparent skin. The sensors are placed so the range of the cameras overlaps slightly, giving the finger continuous sensing along its entire length.

GelSight传感器基于Adelson集团开创的技术，由一个摄像头和三个彩色LED组成。当手指抓住物体时，当彩色LED从内部照亮皮肤时，相机会捕获图像。

使用出现在柔软皮肤中的发光轮廓，算法执行向后计算以映射抓取对象表面上的轮廓。研究人员训练了一个机器学习模型，使用原始相机图像数据识别物体。

当他们微调手指制造过程时，研究人员遇到了几个障碍。

首先，随着时间的推移，有机硅有剥落表面的趋势。刘和她的合作者发现，他们可以通过沿着内骨骼关节之间的铰链添加小曲线来限制这种剥落。

当手指弯曲时，硅胶的弯曲沿着微小的曲线分布，从而减少应力并防止剥落。他们还在接缝上添加了折痕，因此当手指弯曲时，硅胶不会被压扁。

在对他们的设计进行故障排除时，研究人员意识到硅胶中的皱纹可以防止皮肤撕裂。

“皱纹的有用性是我们偶然发现的。当我们在表面上合成它们时，我们发现它们实际上使手指比我们预期的更耐用，“她说。

好好掌握

一旦他们完善了设计，研究人员就用两根手指以Y形排列，第三根手指作为相对的拇指，构建了一只机器人手。当手抓住一个物体(每个手指两个)时，它会捕获六张图像，并将这些图像发送到机器学习算法，该算法使用它们作为识别物体的输入。

由于手具有覆盖其所有手指的触觉感应，因此它可以从单个抓握中收集丰富的触觉数据。

“虽然我们的手指有很多感应，但也许增加一个带有感应的手掌会帮助它更好地区分触觉，”刘说。

未来，研究人员还希望改进硬件，以减少硅胶随着时间的推移的磨损量，并为拇指增加更多的驱动力，以便它可以执行更广泛的任务。

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