轻柔触摸：嵌入式光学传感器使机器人的手更加灵巧

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通过使用光纤和硅酮橡胶，突破机器人手原有光学传感器的限制，模仿人类骨骼结构，使得机器人手更加灵活，拥有更好地触感反馈能力。

轻柔触摸：嵌入式光学传感器使机器人的手更加灵巧

匹兹堡——根据卡内基梅隆大学的研究人员所说光学传感器也许是唯一适用于机器人手的器件。他们已经研发出了使用多个嵌入式光纤传感器制成的三指软机器人手，同时还创造出一种新型的柔性光纤传感器。


通过使用光纤，研究员们已经可以把14个应变传感器嵌入到机器人手的每个手指中，使它可以确定它指尖接触的位置并检测出小于十分之一牛顿的力。这种新型的柔性光纤感应材料，没有被使用在这个版本的机器人手中，它很可能被用在一个软机器人的皮肤上以提供更多的反馈信息。


Yong-Lae Park说：“如果要让机器人独立的工作并且对日常环境中意料之外的力做出安全的反应，则需要在机器人的手上装载比平时更多的传感器。仅仅是人类指尖处的皮肤就包含了成千上万个触觉感官单元，而蜘蛛的每条腿上有成百上千的机械感受器，但是哪怕是最先进的仿真机器人，例如美国宇航局的机器人宇航员，在它的手腕处也仅仅只有42个传感器。”


现如今，在力传感器上增加固定压力是会产生问题的，因为配线可能很复杂，电线易于被破坏且易受来自电动机和其他电磁设备的干扰。但是单个光纤可以包含多个传感器，并且光学传感器不受电磁波干扰。park说，尽管在理论上，单个纤维就能胜任工作，但所有安装在卡内基梅隆大学机器人手每个手指中的传感器都和四个光纤相连。


有了美国宇航局的支持，在9月29日，由IEEE（美国电气与电子工程协会）主办的，IROS 2015（国际智能机器人与系统大会）在德国汉堡举行。卡内基梅隆大学的研究员将会与智能化光线系统公司的研究员一起继续讨论并共同研发机器人手。关于高度可伸缩光传感器的报告将在10月1日的会议上进行发表。


park说，在人们不敢冒险进入的受控环境中工作，工业机器人虽然只有有限的传感器，但能具有非常精准的操纵能力。但是像卡内基梅隆大学的机器人和在其他地方研发的，可以和人类进行交互并保证人类安全的软机器人，必须提高对它们触感和压力感应的关注。

轻柔触摸：嵌入式光学传感器使机器人的手更加灵巧

机器人的每一个手指都模仿着人类手指骨骼结构，通过关节将指尖、中间结点和基结点连接起来。这种骨结构是由硬塑料3D打印而成，并且包含八个检测压力的传感器。其中每三个传感器就会由一层软的硅树脂橡胶壳覆盖，并在这层壳中嵌入一共六个传感器，用来检测接触点的位置。一个活跃的肌腱可用来弯曲手指，而被动弹性的肌腱会提供反应力来伸直手指。


由机械工程系的Leo Jiang和 Kevin Low两名同学设计出的这种“机械手”，包含了商业化应用的纤维布拉格光栅传感器（FBG），可以通过光纤用来检测光波波长的改变。


Park说，尽管目前拥有这些优势，但传统的光学传感器并不会延展那么多，玻璃纤维几乎不会延展，甚至聚合物纤维也只能延展到它的20~25%的量。这就是对于某种装置的一种限制性因素，例如这种“机械手”，而其广泛的运动性又是至关重要的。之前Park就已经开发出可高度伸缩的微流软传感器薄膜，通过液态导体填充通道来检测拉力，但是这里也存在一个问题，就是如果液体泄漏，后果将会变得一团糟。


因此，Park，和来自于CMU机械工程系的Celeste以及来自德克萨斯大学的Tess Lee Hellebrekers一起发明了一种结合商用硅酮橡胶可高度伸缩并且十分灵巧的光学传感器。这些软波导管内衬有反光金;当硅酮被拉伸，反射层中产生裂缝，允许光逃逸。通过测量光的损失，研究者能够计算应变或其它变形。


Park说这种灵活的光学传感器可以和柔软的皮肤结合。这种皮肤，不仅能够像卡内基梅隆大学的机器人手掌中的柔性部件那样感受碰触，也能测量力的大小。