QQ在線
企業(yè)微信
資訊
809
閉上眼，給你不一樣的感覺(jué)，現(xiàn)在AI人工智能軟體機(jī)器人可以給到你。
現(xiàn)在科技越來(lái)越發(fā)達(dá)，傳統(tǒng)機(jī)械化操作的機(jī)器人已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在人類快速的發(fā)展，隨著科技的不斷發(fā)展，科研人員通過(guò)自然界的軟體生物和傳統(tǒng)機(jī)器人的啟發(fā)，陸續(xù)有人創(chuàng)造出對(duì)人類快速發(fā)展的軟體機(jī)器人，他們可以去到很多人類去不到的地方，他們的身體柔軟度，給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展。
軟體機(jī)器人模仿章魚，象鼻，海星等動(dòng)物而設(shè)計(jì)，栩栩如生，他們由軟材料（硅膠，橡膠）構(gòu)成，有著天生優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性以及安全交互性。但是相比于傳統(tǒng)機(jī)器人，軟體機(jī)器人的“感知”能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。要真正做出“富有生命”的軟體機(jī)器人，有效的傳感是必不可少的。我們?nèi)祟惢蛘邉?dòng)物的肌肉纖維里纏繞著神經(jīng)纖維，從而可以直接感知肌肉的變形，我們稱之為“本體感知能力”。
1. 軟體機(jī)器人的傳感
軟體機(jī)器人雖然適應(yīng)性環(huán)境能力強(qiáng)，可以和人安全交互，但是為了能夠真正在生活生產(chǎn)中應(yīng)用，能感知外界環(huán)境實(shí)為關(guān)鍵，有了傳感信息，機(jī)器人才能做出相應(yīng)的對(duì)策，或者檢驗(yàn)任務(wù)是否已經(jīng)完成。毫不夸張的說(shuō)，如果沒(méi)有有效的可靠的傳感方案，軟體機(jī)器人只能被限制在實(shí)驗(yàn)室中做做展示了。
對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，機(jī)器人是由剛性的桿件和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，用旋轉(zhuǎn)編碼器得到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角就可以計(jì)算出來(lái)當(dāng)前機(jī)器人的姿態(tài)。
但是軟體機(jī)器人而言，材料柔軟的特性讓軟體機(jī)器人本體的形狀變得極難預(yù)測(cè)，尤其是受到外力影響的情況下?？茖W(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種有效的軟體機(jī)器人傳感器（例如液態(tài)金屬，光纖，導(dǎo)電聚合物）。想要完全的表征一個(gè)軟體機(jī)器人的形變信息，僅僅依靠一兩條/片傳感器是比較難實(shí)現(xiàn)的，需要更復(fù)雜更科學(xué)的傳感器分布設(shè)計(jì)。目前的大多數(shù)研究都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為的對(duì)傳感器的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到軟體機(jī)器人的“多自由度特性”的復(fù)雜性，人為的設(shè)計(jì)傳感器的尺寸和分布會(huì)越來(lái)越艱難。
來(lái)自迪士尼研究院（Disney Research）以及雷伊·胡安·卡洛斯大學(xué)（UniversidadRey Juan Carlos）的科學(xué)家們嘗試設(shè)計(jì)出一種傳感器系統(tǒng)來(lái)重構(gòu)軟體機(jī)器人的本體，他們指出，傳感器的數(shù)量，以及放置傳感器的最佳位置是兩個(gè)重要的問(wèn)題。研究者們提出了一種算法技術(shù)，可以由軟件自動(dòng)地設(shè)計(jì)“拉伸型傳感網(wǎng)絡(luò)”的尺寸和分布，從而為任意形狀和尺寸的軟體機(jī)器人增加“本體感受”的能力。他們的方法已經(jīng)能夠讓軟體機(jī)器人感受自身的變形狀態(tài)以及感受在外界交互下的形變。
在該研究中給出了三個(gè)具有本體感知能力的應(yīng)用實(shí)例，一個(gè)長(zhǎng)方體的彈性棒，一個(gè)氣動(dòng)的軟體機(jī)械手指，還有一章魚觸手（只有仿真）。我們先來(lái)欣賞一下這幾種軟體機(jī)器人例子。
長(zhǎng)方體棒展示
軟體手指展示
章魚觸手（仿真）展示
我們的肌肉纖維上纏繞了一圈圈的神經(jīng)纖維，它們可以檢測(cè)肌肉的長(zhǎng)度變化啊，從而讓我們感知身體每一處的姿勢(shì)。在這個(gè)研究中，科學(xué)家們采用了一種類似的設(shè)計(jì)方法，他們用一種常見的應(yīng)變傳感器單元，這種傳感器是由彈性的空心硅膠管制成，在里面充滿了共晶鎵-銦（EGaIn，一種液態(tài)合金）。該傳感器的建模相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)計(jì)算硅膠管長(zhǎng)度/截面的變化來(lái)計(jì)算電阻的變化。研究者們把大量的這種細(xì)長(zhǎng)的傳感器作為一個(gè)個(gè)類似于神經(jīng)纖維的單元集成到軟體機(jī)器人身體里（通常是用硅膠澆注法，在后文中的氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器中有介紹具體制造方法）。
彈性應(yīng)變傳感器
2. 傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的算法
為了讓大量的傳感器最優(yōu)化分布，研究者們提出了一種用于優(yōu)化應(yīng)變傳感器分布和尺寸設(shè)計(jì)的算法。
首先是要在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)出軟體機(jī)器人彈性體的幾何模型，然后利用這個(gè)模型進(jìn)行一系列的不同形態(tài)的模擬交互訓(xùn)練。接下來(lái)研究者根據(jù)交互訓(xùn)練中彈性體的應(yīng)變場(chǎng)分布（應(yīng)變場(chǎng)分布有模擬交互得到）來(lái)生成一大組可以選擇的合理的傳感器路徑，這些傳感器路徑對(duì)于外界的輸入都非常敏感（研究者發(fā)現(xiàn)，在最開始集成200個(gè)候選傳感器足以在各個(gè)不同的方向表示物體）。接著通過(guò)連續(xù)迭代優(yōu)化算法來(lái)選出最優(yōu)的一組傳感器分布的方式，從而大量的減少傳感器的數(shù)量。最終根據(jù)得到的傳感器路徑來(lái)制造樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。
傳感器路徑的選擇
關(guān)于傳感器路徑的選擇，研究者制定了三個(gè)約束：1. 選擇的路徑一定要是可以被加工的；2. 路徑一定要有一定的隨機(jī)性；3. 每一個(gè)傳感器一定要跟隨著應(yīng)變場(chǎng)，從而能夠最大化傳感器的敏感度。
傳感器數(shù)量篩選算法
為了從初始組合200個(gè)傳感器中篩選出最好的一組傳感器，研究者使用一階優(yōu)化約束算法來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器最優(yōu)組合的篩選。
3. 本體感知傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用案例
如前面動(dòng)態(tài)圖所展示的，作者通過(guò)兩個(gè)實(shí)體的例子和一個(gè)仿真的例子來(lái)展示他們算法的可行性。
首先是一個(gè)可以多向彎曲的彈性棒。彈性棒的一被固定，另一端和外界有交互（用手指控制它朝著各個(gè)方向彎曲）。研究者利用算法把200個(gè)初始的傳感器網(wǎng)絡(luò)縮減到了只含有5個(gè)傳感器的最優(yōu)組網(wǎng)絡(luò)分布。僅僅借助于這5個(gè)傳感器的信息，就可以重構(gòu)該彈性棒在相應(yīng)的外界作用下的變形情況，重構(gòu)效果有著驚人的準(zhǔn)確度。
初始傳感器組和優(yōu)化的傳感器組
實(shí)體交互展示和對(duì)應(yīng)的模型重構(gòu)
除了簡(jiǎn)單的實(shí)心的棒，有氣腔的復(fù)雜的氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器也可以用這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)本體感知的效果。針對(duì)于一個(gè)常見的半圓形截面的氣動(dòng)軟體手指，研究者先用算法在氣腔周圍生成了200個(gè)可制造的傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后用優(yōu)化模型縮減到僅剩9到10個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。
初始傳感器分布和優(yōu)化后的傳感器分布
為了均衡制造難度和精確性，研究者們最終采用了6個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)。下圖給出了集成傳感器的軟體機(jī)器人的制造方式。3d打印出傳感器網(wǎng)絡(luò)的模具，用硅膠鑄模的方式，在驅(qū)動(dòng)器表明留下細(xì)小的凹槽，把空心硅膠管鑄進(jìn)去，然后再鑄一層硅膠來(lái)固定空心硅膠管，最終在硅膠管里注入液態(tài)金屬，接上導(dǎo)線，即可得到一個(gè)“本體感知”的軟體驅(qū)動(dòng)器。
帶有本體感知能力軟體驅(qū)動(dòng)器的加工
研究者用兩種不同的變形模式來(lái)檢驗(yàn)本體感知的性能。一個(gè)是自由膨脹，另一個(gè)是在膨脹過(guò)程中受到圓柱體的阻擋。可以看出，圖中顯示了實(shí)體的變形和重構(gòu)的模型有著良好的重疊性。
自由充氣形變和被阻擋的充氣形變
為了驗(yàn)證所提出的方法也適用于仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)，研究者仿真了一個(gè)章魚觸手。優(yōu)化后的結(jié)果能夠準(zhǔn)確的重構(gòu)章魚觸手在復(fù)雜的外界接觸的模型（顏色代表模擬值和重構(gòu)值之間的誤差）。
章魚觸手傳感器數(shù)量的優(yōu)化
仿真模型和重構(gòu)模型對(duì)比
4. 總結(jié)與展望
集成本體感知能力讓本來(lái)就具有眾多優(yōu)良性能的軟體機(jī)器人變得更加強(qiáng)大。當(dāng)一個(gè)軟體機(jī)械手具有了本體感知能力，它不僅僅能夠感知一個(gè)物體是否被抓起，更能夠直接感知所抓起物體的形狀。本研究中的科學(xué)家們提出的傳感器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化的方法能夠很好地重構(gòu)軟體機(jī)器人的狀態(tài)，從而進(jìn)一步提升了軟體機(jī)器人的可靠性以及實(shí)用性。能夠?qū)τ谕饨绲慕换ミM(jìn)行感知，讓軟體機(jī)器人如虎添翼，相信在不久的將來(lái)，軟體機(jī)器人會(huì)逐步走入大家的生活。
軟體機(jī)器人已經(jīng)有了進(jìn)一步的突破，但目前還是有很多的不足需要改進(jìn)，我相信，在未來(lái)的不斷研究中，可以創(chuàng)造出能像人一樣的軟體機(jī)器人。
