新型机械手掌使用复杂的触觉传感器来模仿人类的触摸

“我要让你在我的手掌中吃饭”是机器人不太可能说的话。为什么？因为它们大多数都没有手掌。

如果你一直跟上这个千变万化的领域，那么像人类一样抓握和抓握就是一项持续的艰巨努力。 现在，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）开发的一种新的机器人手设计重新思考了经常被忽视的手掌。 这 新设计，在发表于 arXiv 预印本服务器，采用先进的传感器实现高灵敏的触摸，帮助“肢体”以更细致、更精细的精度处理物体。

GelPalm 的手掌中嵌入了凝胶基柔性传感器，其设计灵感源自人类双手柔软、可变形的特性。该传感器采用一种特殊的彩色照明技术，使用红色、绿色和蓝色 LED 照亮物体，并使用摄像头捕捉反射。这种混合技术可生成详细的 3D 表面模型，以实现精确的机器人交互。

如果没有辅助手指，手掌会是什么样子呢？ 该团队还开发了一些机器人指骨，称为 ROMEO（“机器人模块化内骨骼光学”，采用柔性材料和与手掌类似的传感技术。手指具有所谓的“被动顺应性”，即机器人可以自然地适应力，无需电机或额外的控制，这反过来又有助于实现更大的目标：增加与物体接触的表面积，以便通过 3D 打印将它们完全封装成单一的整体结构，这是一种经济高效的生产方式。 。

除了提高灵活性之外，GelPalm 还提供了与物体更安全的交互，这对于人机协作、假肢或具有类似人类传感功能的生物医学用途机器人手等潜在应用特别方便。

许多以前的机器人设计通常侧重于增强手指的灵活性。 刘的方法将重点转移到创建一个更加人性化、多功能的末端执行器，它可以更自然地与物体交互并执行更广泛的任务。

“我们从人手中汲取灵感，人手的骨骼坚硬，周围环绕着柔软、柔顺的组织，”麻省理工学院应届毕业生 Sandra Q. Liu 博士说道，她是 GelPalm 的首席设计师，作为 CSAIL 附属机构和博士生开发了该系统。 .D. 机械工程专业的学生。

“通过将刚性结构与可变形、柔顺的材料相结合，我们可以更好地实现与我们灵巧的双手相同的自适应能力。一个主要的优势是我们不需要额外的马达或机制来驱动手掌的变形——固有的柔顺性使其能够自动适应物体，就像我们人类的手掌一样灵巧。”

研究人员对手掌设计进行了测试。 Liu 比较了集成到 ROMEO 手指中的两种不同照明系统（蓝色 LED 与白色 LED）的触觉传感性能。

“当将物体压入凝胶表面时，两者都产生了类似的高质量 3D 触觉重建，”Liu 说。

但她说，关键的实验是检查不同的手掌结构如何能够很好地包裹和稳定地抓住物体。 该团队亲自动手，在塑料形状上涂上厚厚的油漆，然后将它们压在四种手掌类型上：刚性、结构顺应性、凝胶顺应性和双顺应性设计。

“从视觉上看，通过分析涂漆表面区域的接触，很明显，手掌中的结构和材料顺应性提供了比其他手掌更大的抓地力，”刘说。 “这是一种优雅的方式，可以最大限度地发挥手掌在实现稳定抓握方面的作用。”

一个显着的限制是在手掌中集成足够的传感技术而不使其变得笨重或过于复杂的挑战。 该团队表示，使用基于摄像头的触觉传感器会带来尺寸和灵活性方面的问题，因为当前的技术无法在不牺牲设计和功能的情况下轻松实现广泛的覆盖范围。 解决这个问题可能意味着开发更灵活的镜子材料，并增强传感器集成以维持功能，而不影响实际可用性。

“在大多数机器人手的开发过程中，手掌几乎完全被忽视了，”哥伦比亚大学副教授马泰·乔卡利（Matei Ciocarlie）说，他没有参与这篇论文。 “这项工作非常了不起，因为它引入了一种专门设计的、有用的手掌，它结合了两个关键功能，即关节和传感，而大多数机器人手掌都缺乏其中之一。人类的手掌既具有微妙的关节，又高度敏感，这项工作是一项相关的创新。这个方向。”

“我希望我们能够朝着更先进的机器人手方向发展，将柔软和刚性的元素与触觉灵敏度融为一体，最好是在未来五到十年内。这是一个复杂的领域，对于最佳手部设计还没有达成明确的共识，这使得这项工作特别令人兴奋，”刘说。

“在开发 GelPalm 和 ROMEO 手指时，我专注于模块化和可转移性，以鼓励广泛的设计。使这项技术成本低廉且易于制造，让更多的人能够创新和探索。因为只有一个实验室和一个人广阔的领域，我的梦想是分享这些知识可以激发进步并激励他人。”

特德·阿德尔森 (Ted Adelson) 是大脑和认知科学系的视觉科学约翰和多萝西·威尔逊教授，也是 CSAIL 成员，也是描述这项工作的论文的资深作者。

这个故事由麻省理工学院新闻转载（web.mit.edu/新闻办公室/），一个热门网站，涵盖有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。