日本庆应义塾大学触觉研究中心的研究人员开发了一款“实时的化身机械臂”,可以将声音、视觉以及高敏感度的触觉感受传递给远程用户。这种创新的触觉感应机器人技术的相关论文已经发表在2017年10月出版的IEEE工业电子学报上,该机器人还在今年10月在东京举办的CEATEC上进行了展示。该技术未来有望应用在工业制造、农产品采摘以及护理等领域。

进入21世纪以来,人类面临着多重严峻挑战,例如在快速老龄化的工业化国家为老年人提供护理,支持劳动密集型农业,应对人类无法直接干预的极端突发事件,如核电站灾害等,很多人将希望寄托于机器人技术。

在此背景下,在很多时候,人机交互的基础是触摸,因此越来越多的研究人员将关注点放在利用“触觉”来解决此类问题及相关问题的潜力上。触觉技术以其最简单的形式使用户能够通过强迫振动感受到触觉。这种技术需要采用触摸传感器,尽管它难以校准,并尝尝在酷热以及辐射等极端环境中失灵。此外,传统的触觉技术是基于振动的,属于伪触觉。因此,虽然它可以用于游戏和娱乐,但它的工业应用范围非常有限。

庆应义塾大学科学技术学院以及触觉研究中心的Takahiro Nozaki和他的同事们开发了一款基于触觉的化身机器人,该机器人配备一个通用机械臂,可以把声音、图像、运动以及最重要的高敏感度触觉(传输触觉力)实时传输给远程用户。Nozaki表示,“这种‘真实的触觉’是行动互联网(Internet of Actions,IoA)的一部分,已经应用在制造业、农业、医疗以及护理等领域。”

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机器人将瓶子里的水倒入杯中

这是世界上第一个记录、编辑并再现人体运动的高精度触觉力传输技术。此外,这个机械臂没有采用传统的触摸传感器,从而使它更便宜、更紧凑、更坚固,而故障和噪音则比较小。这个化身机器人背后的核心技术是基于集成在化身机械臂中的高精度电机以及驱动他们的算法。由于没有采用触觉传感器,对力量和位置的高精度控制对于传输触觉就显得至关重要。

Nozaki和同事们还推出来“Motion Lib”,将他们的“真实触觉技术”商业化,只要产品是被称为“ABC-CORE’IC力/触觉控制器”的集成芯片。这个IC芯片控制直流/交流伺服电机的力调整,并通过两个同步运动的电机实现触觉传输。重要的是,由于施加在马达上的负载力是通过芯片中的算法来计算的,所以不需要安装力传感器或扭矩传感器。

高精度的机器人手臂在工业中被广泛使用,例如在汽车组装线上的重复运动。然而,这样的机器人手臂只是重复一系列预先编制的命令,抓取用于组装汽车的明确固定部件。

化身机器人所面临的挑战是能够识别物体的形状、软硬材料和位置,并根据远程用户发送的实时指令进行操作,其中机械臂充当实时化身。

据了解,Nozaki和同事们开发的化身机器人的关键控制技术是由庆应义塾大学的Kouhei Ohnishi在1983年首次发表的,题目是“基于负载转矩估计的直流电机转矩调节方法”。

此后,Ohnishi继续进行了研究,并把相关成果于1993年发表在他的文章“无传感器转矩控制”中(IEEE 工业电子学报,40,259,(1993)).

随后,他提出了“机电一体化中的运动控制”(IEEE机电一体化协议,1, 56,(1996))。

然后,在日本川崎AMC 2004,Ohnishi通过“远程物体的良好判断”一文中解决了这个问题。

(本文由庆应义塾大学提供,原文刊登于phys.org)