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本報(bào)記者楊雪

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)院等聯(lián)合組成的科研團(tuán)隊(duì)露了一“手”。他們成功開發(fā)國際首個(gè)同時(shí)具備全手高分辨率觸覺感知和完整運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人手系統(tǒng)F-TACHand，實(shí)現(xiàn)高分辨率觸覺感知機(jī)器手類人適應(yīng)性抓取。該成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·機(jī)器智能》上。

整合觸覺反饋與運(yùn)動(dòng)能力

對(duì)人類手部功能的研究是具身智能與機(jī)器人學(xué)研究的前沿。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，擁有24個(gè)自由度的靈活性。

“人類在抓取一個(gè)裝滿水的杯子與一個(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)全手觸覺覆蓋一直是難題?！闭撐牡谝蛔髡摺⒈本┐髮W(xué)人工智能研究院博士生趙秭杭說。

人在拿取物體時(shí)涉及到觸覺反饋與運(yùn)動(dòng)能力兩大能力。觸覺反饋包含運(yùn)動(dòng)覺與皮膚觸覺。前者通過肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)感知力量，后者通過皮膚感知接觸狀態(tài)、紋理、溫度、摩擦力等物理特性。運(yùn)動(dòng)功能指生物體通過神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)身體運(yùn)動(dòng)的能力，涵蓋運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面。通俗地說，觸覺反饋就像“身體給大腦打報(bào)告”，將力量以及溫度、摩擦力等物理特性傳遞給大腦；運(yùn)動(dòng)功能則是“大腦向身體下命令”，以便實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。

整合觸覺反饋與運(yùn)動(dòng)能力，是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。一方面，需要避免觸覺傳感器對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性造成影響，當(dāng)前的觸覺傳感技術(shù)在覆蓋率、分辨率和耐久性等方面難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求；另一方面，機(jī)械手要在高效處理大量觸覺數(shù)據(jù)的同時(shí)，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)雜任務(wù)，這對(duì)技術(shù)提出了很高要求。

在缺乏豐富觸覺反饋的情況下，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)首次在保持機(jī)械手完整運(yùn)動(dòng)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手掌表面70%區(qū)域的高分辨率觸覺覆蓋，使機(jī)器人能像人類一樣通過觸覺反饋進(jìn)行精確操作和適應(yīng)性抓取。

趙秭杭介紹，F(xiàn)-TACHand的高分辨率觸覺傳感器空間分辨率達(dá)0.1毫米，相當(dāng)于每平方厘米約有10000個(gè)觸覺像素，遠(yuǎn)超目前商用機(jī)器人手的觸覺感知能力。

巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)操作穩(wěn)定性

一系列仿人類手部設(shè)計(jì)，確保F-TACHand實(shí)現(xiàn)高分辨率感知和多樣化抓取。

趙秭杭介紹，人類手部觸覺系統(tǒng)由兩個(gè)關(guān)鍵要素組成：遍布皮膚的密集觸覺傳感器陣列和大腦中專門解釋這些海量感覺輸入的神經(jīng)處理機(jī)制。F-TACHand模擬了這種設(shè)計(jì)，將17個(gè)高分辨率觸覺傳感器以6種不同配置集成在一起。同時(shí)，巧妙設(shè)計(jì)確保傳感器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)前所未有的觸覺覆蓋范圍。這種設(shè)計(jì)使F-TACHand能像人類手掌一樣，在抓取過程中實(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)給控制算法帶來極大挑戰(zhàn)，我們通過開發(fā)一種生成人類多樣化抓取策略的算法來解決這一問題。該算法基于概率模型，涵蓋了人類常見的19種抓取類型，能實(shí)現(xiàn)與人類非常相似的抓取方式?！闭撐墓餐谝蛔髡?、北京通用人工智能研究院博士生李宇飏解釋。

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)-TACHand能在約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。相比沒有觸覺反饋的系統(tǒng)，F(xiàn)-TACHand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)性優(yōu)勢，平均成功率從53.5%提升至100%。這種基于觸覺的閉環(huán)反饋機(jī)制，使F-TACHand能在不確定環(huán)境中保持高效靈活的操作能力。

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認(rèn)為，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)、高精密組裝類工作以及航空航天、應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域有廣泛落地場景?！拔磥砦覀儗⒗^續(xù)深化觸覺感知與機(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)。”朱毅鑫表示。

作者：李傳新

責(zé)編：李傳新

一審：李傳新

二審：段涵敏

三審：楊又華

來源：科技日報(bào)