试穿一下:设计师设计的服装赋予机器人触觉
创新的触感纺织品有助于提升机器人技术
在过去的几十年里，机器人研究和发展取得了长足的进步，但并不一定像科幻小说作家想象的那样。现代研究的重点是设计机器人，让它们在对人类来说危险或乏味的情况下表现出色，比如执行灾难侦察或可靠地完成重复性任务，而不是让机器人接管世界。尽管这些机器人已被证明可以有效地完成体力任务，但学会与人类进行自然互动仍然是一个挑战。
为了从新的角度来看待这个问题，德雷克塞尔大学的机器人专家们表达与创造性交互技术(ExCITe)中心与大学的跨学科合作功能织物研究中心．这一努力为他们的内部机器人Hubo提供了一个独特的优势，可以理解人类:服装。
虽然还处于发展的早期阶段，离时尚宣言还很远，但这种服装给了Hubo一种触觉。该团队正致力于为Hubo开发触摸感应服装，使其能够区分轻拍肩膀这样细微的动作和攻击性推这样具有潜在危险的动作。
Richard Vallett, Ryan Young和Youngmoo Kim博士在ExCITe中心演示Hubo。图片来源:德雷克塞尔大学。
灵感就在房间那头
机器人技术和纺织技术的结合听起来可能违反直觉，但实验室的主要研究人员表示，对他们来说，这种合作再自然不过了。
“有很长一段时间，一个团队在研究机器人，而就在20英尺开外，另一个团队在研究智能面料。然后一些创新的人问，‘如果我们给机器人穿上一些布料会发生什么?’”ExCITe中心主任Youngmoo Kim博士说。“ExCITe是一个跨学科的空间，为许多不同类型的研究工作提供了交叉的机会。”
研究人员表示，这种合作正是该大学在设计ExCITe中心时所考虑的，该中心为研究人员提供了从富有表现力的机器人(如Hubo)到创业游戏设计和计算机编织的各种研究。ExCITe中心的使命是“维护一个鼓励偶然交流知识和思想的环境”，这是对Hubo衣柜的恰当描述:合作开始于为Hubo寻找一种比现有PVC外壳更不脆、更具保护性的保护罩。
金姆说:“这些奇特的塑料外壳会让机器人看起来很有未来感，但它们很脆，不能很好地保护机器人。”
自2012年日本科技公司岛精(Shima Seiki)向该大学捐赠16个工作站和3个计算机编织系统以来，CFF一直是ExCITe不可分割的一部分。这些计算机化的针织机器将纱线一排一排地组装成纺织品，类似于3D打印机将塑料分层。CFF的机器使用导电纱线来制作智能、灵活的服装，而不需要额外的嵌入式电子设备。迄今为止，该实验室已经利用这项技术制造了用于能量储存和Wi-Fi能量收集的服装，甚至为准妈妈设计了一种智能“肚兜”，无需额外组件即可监测宫缩。但当轮到Hubo穿衣服的时候，CFF的总监Geneviéve Dion说，两个团队都有一些障碍需要克服。
在ExCITe中心工作的学生。图片来源:德雷克塞尔大学。
Hubo穿着它新编织的敏感服装。图片来源:德雷克塞尔大学。
学习如何穿着得体
除了设计Hubo的服装以防止碰撞和机械磨损外，研究人员还努力设计一种织物，可以改善Hubo与人类的互动。在第一个任务中，该团队将填充纺织品和高强度纱线结合起来，以对抗日常磨损。结果是一套笨重的深灰色袖子、裤腿和衬衫。
迪翁说，这一成就不仅对他们项目的功能很重要，而且对整个智能纺织品的理解也很重要。虽然我们可能认为纺织品是一次性的或脆弱的，但Hubo的盔甲证明了这些织物是多么耐用——在这种情况下，甚至比工业强度的塑料更耐用。
除了保护Hubo，该团队还必须设计电容式触摸传感器形式的触摸敏感服装。就像电脑键盘一样，这些触摸传感器的设计目的是感知触摸的压力和位置，并将其转化为机器可用的数据，例如将光标移动到哪里，或者像Hubo一样，回答“有人在触摸我吗?”
“这些奇特的塑料外壳会让机器人看起来很有未来感，但它们很脆，不能很好地保护机器人。”
Youngmoo金
触摸感应的衣服
对于Hubo的新服装来说，传感器本质上是由导电纱线编织的电路，导电纱线作为布线，标准的非导电纱线构成服装的结构。该电路的工作原理类似于智能手机触摸屏:当一个人的皮肤按压裸露的导电纱线时，它会给机器人一种触觉，测量触摸的位置和压力。
压力和位置告诉人类很多关于接触的信息:如果有人轻轻拍你的肩膀，他们想引起你的注意。从后面用力推搡，传达的信息截然不同，也很明显。
虽然目标相当简单，但这一领域的新兴性质意味着团队必须从头开始工作，以确定这些传感器如何为机器人工作。将一个不灵活、复杂的电路设计转化为一个灵活的传感器是很困难的。与包含多层单独导线的印刷电路不同，该团队的任务是想象一种使用尽可能少的层和导线的设计。Hubo的灵活性意味着他的衣服，以及它们的电路，需要随着Hubo的移动而折叠和弯曲。这些限制导致了许多问题:布线如何集成到结构中并连接到外部传感控制器?传感器的针织电路如何经受住反复的弯曲和拉伸?传感器如何区分外部触摸和折叠或弯曲触发的触摸?传感器如何解决诸如清洗等实际问题?
一个简单的电路概述使用触摸敏感有利于织物。图片来源:德雷克塞尔大学。
“我们希望传感器能像纺织品一样处理，能够折叠、拉伸和洗涤，而不会退化或产生不良影响。”
理查德Vallett
该项目的首席研究员、博士生理查德·瓦莱特(Richard Vallett)说:“我们希望传感器能像纺织品一样被处理，能够折叠、拉伸和洗涤而不退化或产生不良影响。”
Hubo的触控套筒和全身防护服的特写。图片来源:德雷克塞尔大学。
类似智能手机触控板的传感装置
设计人员选择自电容作为传感方法。自电容传感寄存器只能通过传导性的东西触摸，比如我们的指尖。大多数智能手机都使用同样的方法，这就是为什么我们发短信时必须摘下手套。在Hubo的衣柜中使用自电容传感器意味着折叠或拉伸对传感器的无意压力不会被记录为触摸。
为了探索这个新领域，团队求助于MathWorks。Vallett说他们都使用了MATLAB®和仿真软件®建立柔性传感器中的触摸检测模型。随着传感器电路变得越来越复杂，他们使用Simscape™来模拟预期的输出和性能，并降低任何测量的不确定性。
这种触摸传感器不像传统的电容式传感器那样工作，传统的电容式传感器依靠许多低电阻的电线网格来测量触摸位置。相反，传感器使用一根高电阻的导电纱线，在纺织品表面蜿蜒而过。通过纱线的小电流允许从纱线路径的两端测量电压的细微变化。然后从电压差推断触摸是沿路径的线性距离。该团队能够通过物理手段改变传感器的电阻来调整电子行为。裸露的导电纱编织线圈形成复杂的电网络。通过改变针织图案和纱线组成中单个纤维的数量，该团队可以在不影响性能的情况下最大限度地提高灵敏度。找到这两个因素的正确组合是关键。
Vallett说:“在我们进行任何物理测试之前，实验的参数都通过Simulink模型运行。”
可视化模型输出的能力使团队能够设计一组解耦方程来跟踪从两个耦合电压信号测量的传感器上的单个触摸的位置和压力。由于虚拟模型允许他们理解虚拟传感器的非标准输出，并识别数据中的趋势，他们能够设计和测试一个传感器网络，可以使用单一的柔性电线检测精确的触摸位置，并确保折叠和重叠的电线不会掩盖输入位置。
在设计过程中，该团队还意识到，他们测量触摸位置的全有或全无方法可能也需要修改。
迪翁说:“我们从试图极其精确地定位到感知敲击和手势。”“这真的很有趣，因为我们并不是没有考虑过这个问题;我们只是在寻求最好的解决方案。”
该团队仍在努力完善Hubo的新产品，但他们希望提高织物的触摸精度和灵敏度，并将他们的技术扩展到实验室之外，帮助这些机器人与他们目标协助的社区整合。
“我们设想未来我们的机器人是真正的辅助设备，”Kim说。“如果你想让一个机器人在你的房子里倒垃圾或洗碗，它需要在一个比我们现在能做到的更自然的层面上与人互动。各种形式的传感，尤其是触觉，是其中的重要组成部分。”
所以，当Hubo穿着他的新衣服，你轻拍他的肩膀时，当他转过身来看你想要什么的时候，不要太惊讶。
阅读其他故事
您也可以从以下列表中选择一个网站