试穿一下大小:设计师设计的衣服给机器人触觉
创新的触摸敏感纺织品有助于提升机器人技术
在过去的几十年里，机器人的研究和发展取得了长足的进步，但并不一定如科幻小说作家所想象的那样。现代研究的重点不是让电子人接管世界，而是让机器人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。尽管这些机器人已被证明能有效地完成体力任务，但学会与它们的人类机器人自然互动仍然是一个挑战。
为了从新的角度看待这个问题，德雷塞尔大学的机器人专家表达和创造性交互技术中心与大学的功能织物研究中心．这种努力为他们的内部机器人Hubo提供了一个独特的优势，在理解人类时:服装。
虽然还处于早期发展阶段，离时尚宣言还很远，但这些衣服给了Hubo一种触觉。该团队正在为Hubo开发触摸感应服装，使其能够区分细微的动作，比如轻拍肩膀，和潜在的危险动作，比如用力推。
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。
灵感就在房间的另一边
机器人技术和纺织技术的结合可能听起来违反直觉，但实验室的主要研究人员表示，对他们来说，这种合作是最自然的。
“有很长一段时间，一个团队在研究机器人，而就在20英尺远的地方，另一个团队在研究智能织物。然后一些有创新精神的人问，‘如果我们把一些织物放在机器人身上会发生什么?’”ExCITe中心主任Youngmoo Kim博士说。“ExCITe提供了一个跨学科的空间，为许多不同类型的研究成果提供了交叉的机会。”
研究人员说，这种合作正是大学在设计ExCITe中心时所考虑到的，该中心容纳了研究人员，他们探索从表达机器人(如Hubo)到创业游戏设计和计算机编织的一切。ExCITe中心的使命是“维持一个鼓励偶然交流知识和想法的环境”，这对Hubo的衣橱来说是一个恰当的描述:合作开始于为Hubo寻找一种比目前的PVC外壳更不脆，更有保护作用的保护层。
金说:“这些花哨的塑料外壳会让它看起来非常未来，但它们非常脆，不能很好地保护机器人。”
自2012年以来，CFF一直是ExCITe的组成部分，当时日本科技公司岛精(Shima Seiki)向该大学捐赠了16个工作站和3个计算机化针织系统。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打印机为塑料分层的方式。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。到目前为止，该实验室已经利用这项技术制造了用于储能和Wi-Fi电力收集的服装，甚至为准妈妈们设计了一种智能“腹带”，无需额外组件即可监测宫缩。但到了给Hubo穿衣服的时候，CFF总监Geneviéve Dion说，两支队伍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穿着新针织的敏感服装。图片来源:德雷克塞尔大学。
学习如何为成功穿衣
除了设计Hubo的衣服以防止碰撞和机械磨损外，研究人员还努力设计一种可以改善Hubo与人类互动的织物。对于第一个任务，团队将填充纺织品和高抗拉纱线结合起来，以对抗日常磨损。结果是一套粗大的配套深灰色袖子、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，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触摸传感器形式的触摸敏感服装。像电脑键盘一样，这些触摸传感器被设计用来感知触摸的压力和位置，并将其转化为机器可用的数据，比如将光标移动到哪里，或者在Hubo的例子中，回答“有人在触摸我吗?”
“这些花哨的塑料外壳会让它看起来非常未来感，但它们非常脆，不能很好地保护机器人。”
Youngmoo金
触摸感应的衣服
对于Hubo的新衣服来说，传感器本质上是由导电纱线和标准的非导电纱线编织而成的电路，这两种纱线作为布线，构成了衣服的结构。该电路的工作原理类似于智能手机的触摸屏:当人的皮肤按压裸露的导电纱时，它会给机器人一种触感，测量触感的位置和压力。
压力和位置告诉人们很多关于接触的信息:如果有人轻轻地拍你的肩膀，他们想引起你的注意。从后面用力推你，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该团队必须从头开始研究，以确定这些传感器如何在机器人上工作。很难将一个不灵活、复杂的电路设计转化为一个可以编织成柔性传感器的电路。不像印刷电路包含许多层单独的电线，团队的任务是想象一个使用尽可能少的层和电线的设计。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:如何将布线集成到织物中并连接到外部传感控制器?传感器的编织电路如何经受住反复的弯曲和拉伸?传感器如何分辨外部触摸和折叠或弯曲触发的触摸?传感器将如何解决实际问题，如清洗?
使用触摸敏感的有益织物的电路的简化概述。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被处理，能够被折叠、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Richard Vallett说:“我们希望传感器能像纺织品一样被处理，能够被折叠、拉伸和洗涤，而不会产生退化或不良影响。”
Hubo的触摸敏感套筒和Hubo全身防护服的特写。图片来源:德雷克塞尔大学。
感觉就像智能手机的触摸板
设计者选择自电容作为传感方法。自电容感应寄存器只接触导电的东西，如我们的指尖。大多数智能手机都使用同样的方法，这就是为什么我们在发短信时必须摘下手套。Hubo的衣橱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说他们用的都是MATLAB®和仿真软件®为柔性传感器中的触摸检测建模。随着传感器电路变得越来越复杂，他们使用Simscape™对预期输出和性能进行建模，并减少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赖于由许多低电阻的电线组成的网格来测量触摸位置。取而代之的是，传感器使用一根高电阻的导电纱线，这种纱线蜿蜒穿过纺织品表面。通过纱线的低电流允许从纱线路径的两端测量电压的细微变化。触摸从电压差推断为沿路径的线性距离。该团队能够通过物理手段改变传感器的电阻来调整电行为。裸导电纱的编织环形成复杂的电网络。通过改变针织图案和纱线组成中单个纤维的数量，该团队可以在不损失性能的情况下最大化灵敏度。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，实验参数通过Simulink模型运行。”
可视化模型输出的能力使该团队能够设计一套解耦方程，以跟踪从两个耦合电压信号测量的传感器上的单次触摸的位置和压力。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，该团队也意识到他们的“全有或全无”测量触摸位置的方法可能也需要修改。
迪翁说:“我们从尽量精确定位到感应敲击和手势。”“这真的很有趣，因为我们并不是没有考虑过这个问题;我们只是在努力寻求最好的解决方案。”
该团队仍在完善Hubo的新衣服，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想要帮助的社区融合。
“我们设想未来我们的机器人会成为真正的辅助设备，”Kim说。“如果你想让一个机器人在你的房子周围倒垃圾或洗碗，它需要比我们现在能做到的更自然地与人互动。各种形式的感知，尤其是触摸，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时，不要太惊讶。
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