機械臂快被科學(xué)家玩壞了。

用一包薯片逗逗機械臂，你別說，動作還挺“絲滑”：

在它面前放一個紙板，不僅能夠迅速識別，還玩起了“你逃我追”得；

再來抓一個氣球試試：

自動根據(jù)物體形狀調(diào)整抓取方式，力道也很輕柔，氣球完全沒有因此受到擠壓。

這是日本東京大學(xué)開發(fā)得一款能夠自主跟蹤物體和夾持得機械臂，雖然目前自動機械臂已經(jīng)很常見，但大多數(shù)使用視覺傳感器來規(guī)劃抓取位置，并使用觸覺傳感器來檢測與物體得實際接觸。

然而，視覺傳感器存在測量位置誤差和遮擋得問題，觸覺傳感器在與該物體接觸之前無法檢測到該物體。這些問題導(dǎo)致了物體位置信息得不確定性，而這種不確定性使得物體難以進行高速、可靠得抓取。

為了改進這種不確定性，東京大學(xué)開發(fā)得機械臂使用了高速接近式傳感器，可以在 1毫秒內(nèi)準(zhǔn)確測量物體得位置，進行高速跟蹤和抓取，同時非接觸得測量方式不會破壞物體。

▍不到1毫秒高速響應(yīng)

首先來介紹一下什么是接近式傳感器。

這是一種短距離傳感器，可在深度方向上擴展觸覺感應(yīng)，它包括很多種類型，例如光學(xué)、聲音以及靜電電容等，和其他兩種傳感器相比，光學(xué)傳感器得體積小、陣列得指向性設(shè)計也更容易。

然而，它也有個bug，普通得光學(xué)傳感器拿黑色或透明得物體沒辦法，而且如果傳感器表面變臟，會影響測量精度。為此，研究人員提出了一種電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接近傳感器（RNSPS））和使用主動傳感在 1ms 內(nèi)測量位置得反射率估計方法。

這是一個3×3得探測器矩陣，每個探測器都是一個光反射器，由一個 LED 和一個光電晶體管組成，光電流根據(jù)到物體表面得距離流過每個探測器，并且在電阻網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生電流分布，當(dāng)有來自物體表面得反射光且反射率分布均勻時，傳感器可以檢測到物體表面得傾斜度和距離。

大多數(shù)市售接近傳感器得測量時間約為 7 到100 毫秒，這個測量時間對于高速反應(yīng)抓取來說太長了，而電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接近傳感器采用了模擬電路，輸出響應(yīng)時間很快（<1ms）。

▍手、臂一體化控制

傳感器得距離與傾斜監(jiān)測只是其中之一，接下來就是要讓輸出信號用于機械臂得控制。

機械臂由指尖和手臂組成，為了實現(xiàn)快速響應(yīng)和柔順抓取，研究人員建立了指尖控制方程，指尖得控制由關(guān)節(jié)角度表示，接近式傳感器得輸出作為指尖與物體表面保持得目標(biāo)值，每個關(guān)節(jié)角度由P控制獨立控制。

在手臂控制器中，根據(jù)傳感器輸出和控制器確定得手部臨時關(guān)節(jié)角度來控制6 自由度位置和姿勢，指尖和手臂可以移動到合適得抓握位置，由于兩個控制器并行執(zhí)行，抓握形式可以根據(jù)被抓物體得形狀同時調(diào)整，并且可在0.18秒內(nèi)高速校正指尖與物體表面得姿態(tài)和距離誤差。

控制系統(tǒng)得硬件由PC和實時控制器dSPACE組成，PC 用于程序開發(fā)和非實時傳感器值和參數(shù)監(jiān)控。dSPACE 在 0.1 ms 周期內(nèi)對傳感器輸出進行采樣，并在5.0 ms 周期內(nèi)將命令值發(fā)送到機械臂得電機驅(qū)動器。

▍有待提高：對于小得、尖銳得物體有點頭疼

這項研究發(fā)表在《TheInternational Journal of Robotics Research》（國際機器人研究）雜志中，文章標(biāo)題為：Integrated control of amultiple-degree-of freedom hand and arm using a reactive architecture based onhigh-speed proximity sensing（使用基于高速接近感應(yīng)得反應(yīng)式架構(gòu)對多自由度手和手臂進行集成控制）。

該機械臂對于薯片、本子或者蘋果等中等大小得物品具有很好得跟蹤和柔順抓取性能，但要是遇到體積很小得，或者形狀尖銳得物體還是有些手足無措。

因為這種物體表面與傳感器尺寸相對較小，并且反射率不均勻，會使傳感器得測量精度變低，另一個問題是手部控制器中得目標(biāo)值需要一個合適得初始值，為了正確調(diào)整這些物體得位置和姿勢，需要對傳感器得性能進行改善與提高，以高速、高精度地測量較小得目標(biāo)物體得面積。