低成本又高效！重庆大学团队提出面向鲁棒操作的单目视触传感器制备框架

接触是人类感知世界最直接的方式，“触觉”是人体神经系统中的重要组成部分，它在人类之间的情感互动中起着重要作用。

对于机器人来说，触觉感知是机器人执行操作任务的基本能力，用来提高机械臂规划和控制性能，从而实现复杂机器人操作必不可少的信息源。它刻画了物体与手之间的局部接触和力的关系。

咱们的小手手之所以可以灵活操作，是因为手上存在着大量的机械感受器(mechanoperception unit，机械性感受器)，这样我们就能在接触信息时非常敏感，这就是灵巧操作的信息基础。

人类和机器人之间的安全和智能交互需求的增加促进了为机器人装备全身皮肤的研究，特别是触觉感知。虽然目前有各种实现触觉传感器的原理，但基于视觉的传感器无疑更加具有优势，因为视觉是提供丰富信息的一种低成本的有效来源。近年来，随着视觉信息处理技术的飞速发展，利用视觉技术构建触觉传感器已成为国内外研究的热点之一。

前不久，来自重庆大学自动化学院的研发团队就提出了一种低成本、单目视触觉传感器的构建框架。它可以检测平面或曲面上的接触位置，提供全面的感知区域。同时，研发团队还介绍了一种估计接触位置的方法。该设计不仅成本低，还可以在很短的时间内处理，适合用于实验室的探索性研究。

该项研究以论文（Implementing Monocular Visual-Tactile Sensors for Robust Manipulation）为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Cyborg and Bionic Systems》中。

论文地址：https://doi.org/10.34133/2022/9797562

目前，主要的视触觉传感器原理可分为基于标记的(MVTSs)和基于回溯感测的视触觉传感器(RSVTSs)。

视触传感器的一般结构：(a)基于标记的视触觉传感器(b)基于回溯感测的视触觉传感器(RSVTS)

MVTS结构简单，没有严格的光源要求，因此非常容易建造。它的精度主要取决于标记的密度和相机能识别标记的最小分辨率。为了便于检测，通常采用球形标记。重点是标记的设计和标记空间位置的获取。

RSVTS由于采用了逆迹传感技术，可以充分利用相机的全像素来获得弹性层的高分辨率变形。由于这种装置需要一个不受干扰的照明系统，照相机和这种装置中的光通常被封闭在一个室内环境中。

目前，利用RSVTS原理制备视触传感器虽然精度很高，但实现难度还是比较大，与其他原理实现的触觉传感器相比，成本优势并不明显。基于上述考虑，研发团队提出了一种基于MVTS原理制备视触觉传感器接触面弹性层的方法。通过这种方法，可以更加简易的植被用于视触传感器的曲面、多层弹性表面。

▍视触觉传感器总体设计思路

为了保证所设计的视-触觉传感器成本低、易于制造，需要保持传感器的组件数量尽可能少，并保持每个组件的制备难度尽可能小。

视触觉传感器总体设计思路

为了满足这一要求，所设计的传感器仅由三个主要组件组成：弹性层、摄像机和连接器。

弹性层就是所谓的“皮肤”，是物体和传感器之间发生接触的地方。物体一旦被压在弹性层上，就会发生几何变形。摄像机是通过捕捉到的图像的变化来感知弹性层变形的核心部件。连接器用于将弹性层与摄像机结合，然后将其固定在机械手上。

弹性层是接触发生的地方。长期使用，这个组件不可避免地会磨损和老化。因此，应考虑具有耐磨、易制备、易更换、成本低等特点的材料。在简单的实验室环境中，应选择能在环境温度或容易达到的温度下加工的材料，以便在需要时可以方便快速地更换弹性层。因此，研究人员们选择了硅树脂（silicone resin）作为弹性层材料。

由于整个视触觉传感器需要小型化，因此研究人员们需要选择尺寸最小、视角宽、焦距短的相机模块。在考虑到系统的成本和生产难度后，团队最终选择了单目相机。连接器的作用在于将弹性层与摄像机整合在一起。这个组件应该保持尽可能小，以减少视触传感器的整体尺寸。于是，3D打印则是创建连接器的最佳选择。

为制备弹性层，团队提出以下流程:第一步:设计模具。模具的形状决定弹性层的形状。第二步:设计检测标记。该标记影响变形检测的性能。第三步:制作弹性层。为了得到理想的弹性层，需要进行配料、混合、去除气泡、固化等一系列工艺。

制备弹性层的主要过程

首先，研究人员们将基料和所用液体材料的固化剂按所需比例混合，通过滴管将混合物注入B1模具中。然后盖上模具A到模具B1，等待混合物固化。固化后将B1模具的内层去除，并在内层外表面标注标记。最后再次准备混合物，并将其注入到B2模具中，将内层与A混合在B2模具上，等待混合物固化。固化后从弹性层中分离A型和B2型。

▍实验过程

在完成总体设计后，团队开始了案例实验，他们将弹性层设计成手指大小和手指形状，它的长度和大小与人类手指的远端和中指骨相似。用于安装机器人手指，整个指尖都可以感知触觉信息。

为了使弹性层的形状尽可能简单，弹性层由圆顶和圆柱体两部分组成。弹性层上的标记可采用圆顶（dome）形式或球坐标（spherical coordinate）形式。

弹性层标记的两种典型形式。（a）圆顶（dome）形式；（b）球坐标（spherical coordinate）形式

为了制备弹性层，研发团队用铝制作了一系列模具。弹性层的厚度由模具的内径和外径决定，本例中模具A的直径为8.0mm，模具B的直径分别为10.0mm和12.0mm。同时研究人员使用了真空干燥箱和电子秤，以使制备过程准确和可重复。

研发团队使用3D打印技术打印了一个连接器，使弹性层与相机集成。

团队还提出了一种基于标记的触点位置估计方法——使用ArUco标记，可以同时检测多个触点区域↓↓↓

ArUco标记

虽然目前的工作取得了许多令人鼓舞的成果，但在以下方面仍有改进的空间，比如与非视触传感器相比，视触传感器普遍易于制作。但照明系统、弹性层和定制传感组件仍然使复制这些设计成本高昂；大多数视触传感器采用平面接触面，这使得它们的竞争力低于基于其他原理设计的触觉传感器。

这种视触传感器的主要优势如下：一、支持曲面接触面，适应更多复杂物体形状；二、透明外壳设计，可充分利用视觉传感器的图像信息。

在未来的研究中，团队将专注于通过设计新的标记模式来进一步提高触觉感知的分辨率。在未来，他们希望探索这种传感器在家庭服务等应用中的使用，让我们拭目以待吧！

▍论文作者

李睿，重庆大学助理研究员、硕士生导师，重庆大学机器人与智能系统研究所感知组负责人。目前担任中国自动化学会机器人智能专业委员会委员、IEEE 机器人与自动化学会（RAS）机器人手、抓取与操作技术委员会委员、中国留德学者计算机学会（GCI）机器人专业委员会委员、IEEE SMC重庆分会创始成员。主要开展面向灵巧操作的机器人手爪设计、抓取方法研究。

排版 | 麦子

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