論文標(biāo)題：DIGIT: A Novel Design for a Low-Cost Compact High-Resolution Tactile Sensor with Application to In-Hand Manipulation
?
IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS. PREPRINT VERSION. ACCEPTED JANUARY, 2020
引言介紹
現(xiàn)代化發(fā)展的需要使得各類機器人深入到人類的日常生活之中。當(dāng)前大多數(shù)機器人能在特定的場景中，針對特定的任務(wù)執(zhí)行較為簡單的工作。然而，在現(xiàn)實生活機器人應(yīng)用的環(huán)境和條件是會動態(tài)變化的，為了使機器人能適應(yīng)不同的工作環(huán)境，機器人應(yīng)當(dāng)具備更為敏感精確的感知能力。另一方面，當(dāng)前機器人仍遠未達到如同人類一般的操作水準(zhǔn)，甚至就連簡單的抓取動作都不能很好的完成，很大程度上在于目前傳感器靈敏度的局限性。
力對于人與機器人來說都是一個十分重要的概念。人們能通過對力的感知，來完成與自然界各種事物的互動。越是精細的操作，越是體現(xiàn)了人對力把控的精確性。不同于其他感知類型，人類對于力的感知基本上都是通過皮膚接觸。接觸是一種十分重要的感知手段，他為人提供了一種最為自然、直接的測力方式。近年來各類科研人員針對觸覺感知進行了各類研究，并就如何結(jié)合觸覺來提升機器人控制領(lǐng)域的靈敏性做出了極大努力。雖然現(xiàn)存的觸覺傳感器種類繁多，但仍存在極大的瓶頸，以至于無法廣泛使用。主要需求有以下幾點：高分辨率、高靈敏度、穩(wěn)定且易于使用、價格低廉以及高集成度。
為了更好的滿足上述需求，F(xiàn)acebook于2021年11月發(fā)布了一款命名為DIGIT的基于視覺的觸覺傳感器。相比于其他同類傳感器，DIGIT具有如下優(yōu)點：1）體積小巧且模塊化，可做到即插即用。2）可大規(guī)模制造。3）穩(wěn)定可靠，壽命長。此外，DIGIT還保留了同類傳感器的諸多優(yōu)點。? ? ??
? ? ? ? ? ? ? ? ?
傳感器結(jié)構(gòu)
DIGIT基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。從左往右分別為：A）彈性體，B）亞克力窗，C）卡扣支架，D）照明PCB，E）塑料外殼，F(xiàn)）攝像頭PCB，G）后外殼。一個完整的DIGIT長為20mm，高為27mm，厚度為10mm，并且大約重20g。DIGIT有一個塑料多體三件式外殼，該外殼易于3D打印生成，也可進行大規(guī)模的注塑模具生產(chǎn)。相機和凝膠都可通過按壓直接安裝在相應(yīng)外殼上，從而可輕易更換配件。此外，可更換塑料外殼來調(diào)配不同的焦距，并且可以用一個螺絲釘來完成彈性體的更換操作。
圖1 ?DIGIT基本構(gòu)成
傳感器特點
盡管以往基于視覺的觸覺傳感器在原始觸覺感知方面提供了無可比擬的高空間分辨率，然而相比于其他觸覺傳感器，它們?nèi)杂腥笾饕窒蓿?）相對笨重龐大的外形體積。2）外表用于接觸的軟體材料磨損較快，使得傳感器壽命不長。3）制作工藝復(fù)雜，且很大程度上采用人工方式。這就導(dǎo)致了傳感器在各類參數(shù)上的不確定性。系統(tǒng)在更換新的傳感器時，不得不重新部署各類參數(shù)及條件，從而極大的加大了傳感器的更換成本。DIGIT在繼承了以往同類傳感器優(yōu)點的同時，又巧妙地解決了這三大缺陷。首先，DIGIT在設(shè)計上具有充分的物理緊湊性，足以適配任意末端執(zhí)行器上的抓取關(guān)節(jié)或是具有多指結(jié)構(gòu)的機械手。其次，DIGIT的凝膠設(shè)計得更加穩(wěn)定耐用，同時比以前的設(shè)計更易于替換，從而有效的延長了整個傳感器的壽命。最后，該傳感器在設(shè)計上采用了新的自動化制造技術(shù)，并強調(diào)使用無工具裝配和商業(yè)現(xiàn)貨組件，從而能夠以非常低的成本實現(xiàn)快速、大規(guī)模、可重復(fù)生產(chǎn)。DIGIT傳感器的總制造成本約為15美元。其中印刷電路板為1.5美元，電子元件8美元，塑料2美元，凝膠3美元。在表1中，假設(shè)每種傳感器以每批次1000件的數(shù)目進行生產(chǎn)，本表將DIGIT與其他兩款比較流行的同類傳感器進行了簡單比較，具體信息可見表1。表1 ?三類傳感器的參數(shù)比較
性能測試
基于視覺的觸覺傳感器依賴于接觸表面的軟體可變形彈性材料，該材料通常會在重復(fù)使用時會導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損，從而會改變傳感器的特性。設(shè)計團隊開發(fā)了一種新得凝膠制造工藝，增加了凝膠的壽命和可靠性，同時可大規(guī)模生產(chǎn)并不會影響觸覺傳感器的性能。對于DIGIT，設(shè)計團隊從三個方面構(gòu)造了彈性體。首先使用噴槍將硅基白色顏料添加到模具中，然后使用化學(xué)儀器進行固化，以產(chǎn)生具有受控均勻厚度的圖像傳輸層。然后將基層硅酮涂敷在手指狀模具上，然后進行固化。隨后，將硅樹脂從模具中取出，并使用光滑的Sil Poxy（一種光學(xué)透明的硅樹脂粘合劑）將其粘在亞克力窗上。如上文所述，該丙烯酸凝膠單元可在組裝過程中壓入對應(yīng)的外殼部件。對于硅樹脂，使用Solaris上的Smooth，這是一種通常用于涂覆光伏電池的硅樹脂。較厚的圖像傳輸層變形較小，導(dǎo)致觸覺感應(yīng)輸出中的空間分辨率損失。另一方面，薄層更容易損壞。在設(shè)計過程中，設(shè)計者迭代了圖像傳輸層的厚度，從而權(quán)衡了堅固性和靈敏度。圖2顯示了當(dāng)接觸各種物體時DIGIT的觸覺感應(yīng)輸出，顯示了其靈敏度。DIGIT的未來迭代可能包括基于力的作用范圍來考慮不同厚度的凝膠。
圖2??不同物體的測結(jié)果圖
案例展示
為了進一步展示DIGIT在機械臂控制領(lǐng)域強大的性能，實驗人員展示了一項實驗案例。實驗人員將裝配有DIGIT的Allegro機械手安裝在Sawyer機械臂上。在每次實驗開始時，玻璃球都會被一個金屬支架升起，看起來就像一個高爾夫球座。同時該金屬支架也會被安裝在一個直線電機上，之后機械臂會執(zhí)行預(yù)先編譯好的運動程序，并用大拇指和另一個手指作為夾鉗夾住彈珠，從而從平臺上撿起彈珠。機械臂必須學(xué)會利用手指在彈珠表面小心地滾動彈珠，以將其操縱到所需要的位姿。這需要在兩個手指不同程度的壓力下，對彈珠在小的、彎曲的以及可變形的手指表面上的滑動和滾動進行動態(tài)建模，極具挑戰(zhàn)性。
?
總結(jié)
觸覺感知是機器人邁向人類級別操作技能的重要組成部分。本文向各位介紹了一種新型且具有緊湊設(shè)計的觸覺傳感器DIGIT。DIGIT提供了豐富且高分辨率的觸覺讀數(shù)。此外，DIGIT還在許多價值指標(biāo)上帶來了重大改進：可靠性、組件可用性、易裝配性以及制造成本。本文通過使用DIGIT來解決一項具有挑戰(zhàn)性的精細運動控制任務(wù)，即用手指對玻璃彈珠進行操縱，來展示DIGIT強大的能力?；谏疃饶Ｐ皖A(yù)測控制技術(shù)的提升，設(shè)計者嘗試?yán)脧脑加|覺輸入到理想目標(biāo)位置的轉(zhuǎn)換來完成玻璃彈珠的操縱任務(wù)。本文相信，DIGIT是多功能觸覺傳感器設(shè)計的一個進步，可以大規(guī)模生產(chǎn)，并在機器人社區(qū)中廣泛采用，以達到人類水平的操作技能。未來該傳感器的改進工作將會著眼于進一步小型化傳感器的形狀因素，并不斷設(shè)計出具有彎曲、全方位感應(yīng)場的傳感器。