科技日報記者 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)院和倫敦瑪麗皇后大學(xué)聯(lián)合組成的科研團(tuán)隊取得一項重大突破——“高分辨率觸覺感知機(jī)器手實現(xiàn)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。
人的手部具有結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、功能極為精密的特點，由27塊骨骼和34塊肌肉組成，提供了24個自由度的靈活性。人在拿取物體時涉及“觸覺反饋”與“運動功能”兩大能力：觸覺反饋包含運動覺（通過肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)感知力量）與皮膚觸覺（通過皮膚感知接觸狀態(tài)、紋理、溫度、摩擦力等物理特性）；運動功能包括運動學(xué)（研究關(guān)節(jié)的角度、位置及其運動的幾何關(guān)系）與動力學(xué)（研究力和扭矩應(yīng)該如何作用于關(guān)節(jié)和肢體，從而實現(xiàn)精確的運動控制）。
對人類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)隊開發(fā)的F-TAC Hand，是國際首個同時具備全手高分辨率觸覺感知和完整運動能力的機(jī)器人手系統(tǒng)。
解決“觸覺反饋”難題
在以往的研究中，觸覺反饋與運動能力的整合被認(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，從硬件角度來看，如何避免觸覺傳感器的引入對機(jī)器人的運動靈活性造成影響是第一個難題，而且，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也難以滿足實際應(yīng)用需求。另一方面，獲得了具備高分辨率觸覺感知能力的機(jī)械手，下一個難題則是如何高效地處理大量的觸覺數(shù)據(jù)，并以此驅(qū)動每個關(guān)節(jié)協(xié)同運動，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)對動態(tài)環(huán)境中的復(fù)雜操作任務(wù)。聯(lián)合科研團(tuán)隊的成果是首次在保持完整運動能力的前提下，實現(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)器人能夠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。
“人類在抓取一個裝滿水的杯子與一個空杯子時，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，如何在不影響運動功能的前提下實現(xiàn)全手觸覺覆蓋一直是一個難題。”論文第一作者、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個觸覺像素，遠(yuǎn)超目前商用機(jī)器人手的觸覺感知能力，例如目前最先進(jìn)的機(jī)器人手Shadow Hand，僅在指尖提供單點力傳感。
實現(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-TAC Hand模擬了這種設(shè)計，將17個高分辨率觸覺傳感器以6種不同配置集成在一起，同時巧妙地將傳感器設(shè)計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現(xiàn)前所未有的觸覺覆蓋范圍。這種設(shè)計使F-TAC Hand能夠像人類手掌一樣，在抓取過程中實時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，能夠?qū)崿F(xiàn)與人類非常相似的抓取方式，涵蓋了人類常見的19種抓取類型?！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。
實驗結(jié)果表明，當(dāng)理論上最優(yōu)的抓取策略在現(xiàn)實環(huán)境中遇到障礙時，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。相比沒有觸覺反饋的系統(tǒng)，F(xiàn)-TAC Hand在面臨執(zhí)行誤差和物體碰撞風(fēng)險時表現(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-TAC Hand能夠像人類一樣，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，這項研究成果在對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)域有廣泛的落地場景。“未來我們將繼續(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，為實現(xiàn)真正意義上的通用人工智能奠定基礎(chǔ)?！敝煲泠握f。
（受訪者供圖）
