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視觸覺(jué)方案：視覺(jué)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)方案并在Franka機(jī)器人上實(shí)驗(yàn)剛性和柔性物體的操控
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通過(guò)基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)低成本遠(yuǎn)程操作和觸覺(jué)反饋，用于剛性和柔性物體的操控 觸覺(jué)反饋對(duì)于人類成功執(zhí)行復(fù)雜而精細(xì)的操作任務(wù)至關(guān)重要。最近觸覺(jué)傳感器的興起使機(jī)器人能夠利用觸覺(jué)并大幅擴(kuò)展其能力。然而，許多任務(wù)仍然需要人工干預(yù)/指導(dǎo)。為此，我們提出了一個(gè)遠(yuǎn)程操作框架，旨在根據(jù)安裝在Franka機(jī)器人夾持器上的基于攝像頭的觸覺(jué)傳感器的數(shù)據(jù)為人類操作員提供觸覺(jué)反饋。引入部分自主性以防止在執(zhí)行任務(wù)期間抓取的物體滑落。值得注意的是，我們完全依靠低成本的現(xiàn)成硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。我們?cè)谡鎸?shí)硬件上使用三個(gè)不同的操作員，展示了該框架在九種不同物體上的多功能性，從剛性物體到柔軟易碎物體。 集智聯(lián)機(jī)器人（Plug & Play Robotics），簡(jiǎn)稱PNP機(jī)器人，是Franka Robotics和思靈機(jī)器人金牌合作伙伴，集智聯(lián)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)成員均來(lái)自于國(guó)內(nèi)外機(jī)器人行業(yè)知名企業(yè)，具有較強(qiáng)的學(xué)術(shù)背景。PNP機(jī)器人致力于為客戶提供從硬件到軟件的全方位支持，幫助客戶快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的部署與應(yīng)用，提升生產(chǎn)效率和智能化水平。 PNP機(jī)器人和思靈機(jī)器人以及旗下Franka機(jī)器人等深度合作，聚焦面向生活和工業(yè)場(chǎng)景的單臂/雙臂數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景，致力于機(jī)器人即插即用（Plug & Play ）技術(shù)和具身智能通用解決方案。 通過(guò)PNP機(jī)器人平臺(tái)，您可以輕松購(gòu)買各種機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品，省心省事省力。我們專注于為用戶提供專業(yè)、便捷且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的機(jī)器人系統(tǒng)及定制服務(wù)，幫助您實(shí)現(xiàn)更多可能。 一、介紹 觸覺(jué)傳感器旨在復(fù)制機(jī)器的觸覺(jué)，使機(jī)器人能夠收集與其接觸的物體的物理特性信息，包括紋理、形狀和柔軟度。這種觸覺(jué)能力在對(duì)易碎物體進(jìn)行精確而精細(xì)的操作時(shí)尤其重要，例如處理食品或易碎材料。在各種觸覺(jué)傳感器技術(shù)中[1]，基于攝像頭的觸覺(jué)傳感器由于其高分辨率、穩(wěn)健性、電路簡(jiǎn)單和低成本，最近引起了研究界的廣泛興趣 [2]與電子傳感器相比，這種傳感器更先進(jìn)。這種傳感器通常由可變形彈性體組成，并在其后方集成一個(gè)攝像頭，用于捕捉接觸過(guò)程中發(fā)生的變形的高分辨率圖像。舉幾個(gè)應(yīng)用例子，手部操作[3]、體積網(wǎng)格重建[4]，以及對(duì)軟脆物體的操作[5]已在文獻(xiàn)中使用配備基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感器的自主機(jī)器人實(shí)現(xiàn)。然而，在許多現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用中，人類指導(dǎo)仍然是必不可少的，以確保成功的結(jié)果。這種必要性出現(xiàn)在從意外故障中恢復(fù)、在高度非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中操作或記錄示例操作等場(chǎng)景中。 二、相關(guān)工作 遠(yuǎn)程機(jī)器人控制，通常稱為遙操作，是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，有各種方法可以最有效、最準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo) 。10]。謝等人討論了使用操縱桿作為控制界面 [11]。石黑一雄等人深入研究了外骨骼的應(yīng)用[12]，而 Gliesche 的作品將鍵盤和鼠標(biāo)與動(dòng)覺(jué)設(shè)備進(jìn)行了比較 [十三]。Nandikolla 等人表示，控制機(jī)器人的另一種方法是通過(guò)腦機(jī)接口 (BCI)，利用用戶的腦信號(hào)指揮機(jī)器人，讓他們以創(chuàng)新的方式與機(jī)器人互動(dòng) 。[14]。雖然這些方法提供了先進(jìn)的遠(yuǎn)程操作，但需要注意的是，它們通常需要昂貴的設(shè)備，并且需要專業(yè)知識(shí)和培訓(xùn)。此外，它們中的大多數(shù)都是針對(duì)特定機(jī)器人平臺(tái)量身定制的。 人機(jī)交互中的觸覺(jué)反饋觸覺(jué)反饋在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操控的精確度方面起著重要作用。它包含各種反饋選項(xiàng)和控制器，有助于提高用戶對(duì)機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的理解。各種反饋都被歸類為觸覺(jué)。振動(dòng)觸覺(jué)反饋是一種振動(dòng)，可以提供有關(guān)機(jī)器人是否離障礙物更近或更遠(yuǎn)的感官信息 。22，23]而擠壓彈力帶可以模擬抓握物體的感覺(jué) [24]。六個(gè)自由度控制器施加阻力來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，例如，當(dāng)機(jī)器人偏離預(yù)定路徑時(shí)進(jìn)行干預(yù) [二十五，二十六]。然而，這些解決方案高度專業(yè)化且成本高昂。此外，將引導(dǎo)力作為觸覺(jué)反饋有時(shí)會(huì)導(dǎo)致用戶和機(jī)器人之間產(chǎn)生混淆和沖突，而尋找平衡是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域 [二十七]。此外，觸覺(jué)設(shè)備還包括配備阻力板的手套，以模擬握住物體的感覺(jué) [二十八]，腕戴式觸覺(jué)設(shè)備，為虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)提供無(wú)控制器觸覺(jué)反饋 [二十九]，以及用于模擬與虛擬物體交互的設(shè)備，觸覺(jué)反饋集中在手腕上 [三十，31]。 三、問(wèn)題陳述和方法概述 本研究的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)遙操作框架，利用現(xiàn)成的、經(jīng)濟(jì)高效的硬件來(lái)操縱可能很精密的物體。具體來(lái)說(shuō)，該框架應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：i）經(jīng)濟(jì)高效的遙操作，即實(shí)現(xiàn)基于低成本和商用硬件組件的系統(tǒng)，提高其可承受性；ii）精密物體操縱，即能夠精確、輕柔地操縱易碎物體；iii）用戶友好界面，即為用戶設(shè)計(jì)直觀的界面，確保易用性，并降低不同專業(yè)水平操作員的學(xué)習(xí)曲線；iv）實(shí)時(shí)控制，即提供無(wú)延遲的控制和反饋機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們提出了圖1所示的 T2H 框架 。具體來(lái)說(shuō)，我們考慮在夾持器上配備現(xiàn)成的基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感器的機(jī)器人機(jī)器人，以及能夠向用戶提供振動(dòng)反饋的控制器。在我們的設(shè)置中，我們采用以下商用和低成本設(shè)備：DIGIT 觸覺(jué)傳感器[9]用于機(jī)器人，Oculus Quest 2 控制器用于遠(yuǎn)程操作。觸覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)基于低計(jì)算圖像處理轉(zhuǎn)換為振動(dòng)反饋，使用戶能夠感知到對(duì)操作物體施加的壓力感。同時(shí)，控制器的線速度和角速度轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端執(zhí)行器的速度命令，為用戶提供反應(yīng)靈敏、直觀的界面。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種部分自主行為，以主動(dòng)防止操作過(guò)程中物體滑落。在實(shí)踐中，這需要在檢測(cè)到自主滑落時(shí)自動(dòng)收緊抓握，確保牢固握住物體。觸覺(jué)反饋和自主行為之間的協(xié)同作用使用戶能夠輕松操縱精密物體（如第五節(jié)所示 ），從而降低了這些物體。 四、T2H 框架 所提出的 T2H 框架包括以下關(guān)鍵模塊，這些模塊將在本節(jié)的其余部分詳細(xì)介紹：i）從觸覺(jué)傳感器到遙控操作控制器的映射， ii）從遙控操作控制器到機(jī)器人命令的映射，以及iii） 用于防止滑落的部分自主性。 五、從觸覺(jué)傳感器到觸覺(jué)反饋的映射 為了根據(jù)觸覺(jué)傳感器的圖像確定觸覺(jué)反饋，我們擴(kuò)展了之前工作中介紹的處理方法。5]�；舅枷胧怯�(jì)算每個(gè)傳感器圖像相對(duì)于背景參考圖像的像素變化，背景參考圖像可由操作員隨時(shí)設(shè)置，然后將振動(dòng)反饋與改變的像素?cái)?shù)相關(guān)聯(lián)。一般來(lái)說(shuō)，隨著抓握力的增強(qiáng)，與背景圖像不同的像素比例也會(huì)增加，從而產(chǎn)生放大的觸覺(jué)反饋，并應(yīng)將其傳達(dá)給操作員。 六、結(jié)論 該T2H框架基于基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感器為遠(yuǎn)程操作提供觸覺(jué)反饋。我們使用低成本的消費(fèi)級(jí)硬件實(shí)現(xiàn)了 T2H，并公開(kāi)了源代碼。該框架利用觸覺(jué)圖像與背景參考圖像相比的像素變化來(lái)提供振動(dòng)反饋，增強(qiáng)操作員在對(duì)象操作過(guò)程中的感知和控制。此外，部分自主功能旨在防止操作任務(wù)期間打滑。該系統(tǒng)的有效性已在具有各種物理特性的一系列物體（包括易碎物品）上得到證實(shí)，且不會(huì)造成損壞。在不同經(jīng)驗(yàn)水平的操作員之間確認(rèn)了可用性。未來(lái)的工作旨在通過(guò)預(yù)測(cè)人類意圖引入主動(dòng)行為，將 GUI 與耳機(jī)集成，并開(kāi)展涉及多名操作員的廣泛用戶研究。 |
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