机械臂也能这么丝滑？日本东京大学动态跟踪自动夹持，响应时间不到1毫秒

机械臂快被科学家玩坏了。

用一包薯片逗逗机械臂，你别说，动作还挺“丝滑”：

在它面前放一个纸板，不仅能够迅速识别，还玩起了“你逃我追”的游戏；

再来抓一个气球试试：

自动根据物体形状调整抓取方式，力道也很轻柔，气球完全没有因此受到挤压。

这是日本东京大学开发的一款能够自主跟踪物体和夹持的机械臂，虽然目前自动机械臂已经很常见，但大多数使用视觉传感器来规划抓取位置，并使用触觉传感器来检测与物体的实际接触。

然而，视觉传感器存在测量位置误差和遮挡的问题，触觉传感器在与该物体接触之前无法检测到该物体。这些问题导致了物体位置信息的不确定性，而这种不确定性使得物体难以进行高速、可靠的抓取。

为了改进这种不确定性，东京大学开发的机械臂使用了高速接近式传感器，可以在 1毫秒内准确测量物体的位置，进行高速跟踪和抓取，同时非接触的测量方式不会破坏物体。

▍不到1毫秒高速响应

首先来介绍一下什么是接近式传感器。

这是一种短距离传感器，可在深度方向上扩展触觉感应，它包括很多种类型，例如光学、声音以及静电电容等，和其他两种传感器相比，光学传感器的体积小、阵列的指向性设计也更容易。

然而，它也有个bug，普通的光学传感器拿黑色或透明的物体没办法，而且如果传感器表面变脏，会影响测量精度。为此，研究人员提出了一种电阻网络结构接近传感器（RNSPS））和使用主动传感在 1ms 内测量位置的反射率估计方法。

这是一个3×3的探测器矩阵，每个探测器都是一个光反射器，由一个 LED 和一个光电晶体管组成，光电流根据到物体表面的距离流过每个探测器，并且在电阻网络中发生电流分布，当有来自物体表面的反射光且反射率分布均匀时，传感器可以检测到物体表面的倾斜度和距离。

大多数市售接近传感器的测量时间约为 7 到100 毫秒，这个测量时间对于高速反应抓取来说太长了，而电阻网络结构接近传感器采用了模拟电路，输出响应时间很快（<1ms）。

▍手、臂一体化控制

传感器的距离与倾斜监测只是其中之一，接下来就是要让输出信号用于机械臂的控制。

机械臂由指尖和手臂组成，为了实现快速响应和柔顺抓取，研究人员建立了指尖控制方程，指尖的控制由关节角度表示，接近式传感器的输出作为指尖与物体表面保持的目标值，每个关节角度由PID控制独立控制。

在手臂控制器中，根据传感器输出和控制器确定的手部临时关节角度来控制6 自由度位置和姿势，指尖和手臂可以移动到合适的抓握位置，由于两个控制器并行执行，抓握形式可以根据被抓物体的形状同时调整，并且可在0.18秒内高速校正指尖与物体表面的姿态和距离误差。

控制系统的硬件由PC和实时控制器dSPACE组成，PC 用于程序开发和非实时传感器值和参数监控。dSPACE 在 0.1 ms 周期内对传感器输出进行采样，并在5.0 ms 周期内将命令值发送到机械臂的电机驱动器。

▍有待提高：对于小的、尖锐的物体有点头疼

这项研究发表在《TheInternational Journal of Robotics Research》（国际机器人研究）杂志中，文章标题为：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应的反应式架构对多自由度手和手臂进行集成控制）。

该机械臂对于薯片、本子或者苹果等中等大小的物品具有很好的跟踪和柔顺抓取性能，但要是遇到体积很小的，或者形状尖锐的物体还是有些手足无措。

因为这种物体表面与传感器尺寸相对较小，并且反射率不均匀，会使传感器的测量精度变低，另一个问题是手部控制器中的目标值需要一个合适的初始值，为了正确调整这些物体的位置和姿势，需要对传感器的性能进行改善与提高，以高速、高精度地测量较小的目标物体的面积。

【参考链接】

https://doi.org/10.1177/0278364919875811