隨著現(xiàn)代機(jī)器人憑借先進(jìn)的工程和智能技術(shù)不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍不再局限于在重工業(yè)（例如汽車、航運(yùn)等）、包裝行業(yè)、制藥行業(yè)、醫(yī)療輔助和保健服務(wù)行業(yè)以及其它復(fù)雜和專業(yè)領(lǐng)域中執(zhí)行定制化任務(wù)，在辦公事務(wù)和家務(wù)等各種任務(wù)的執(zhí)行中也具有實(shí)用性。為了使機(jī)器人在家庭、工作場(chǎng)所和醫(yī)療輔助方面的應(yīng)用多樣化，機(jī)器人必須具備使用可靠、便攜、經(jīng)濟(jì)高效、低功耗和用戶友好的特性。由于機(jī)器人的應(yīng)用旨在簡(jiǎn)化任務(wù)以改善人類生活，因此，具有認(rèn)知決策能力的高效機(jī)器人將改變并豐富機(jī)器人在家庭、工作場(chǎng)所和其他輔助任務(wù)中的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了給智能機(jī)器人提供一種無需用戶認(rèn)知確認(rèn)的自動(dòng)化方法，印度理工學(xué)院孟買分校（Indian Institute of Technology Bombay）的研究人員提出了一種噴墨打印的石墨烯基電容式多傳感器陣列（CAPSENSAR），并將其用于認(rèn)知機(jī)器人抓手（COGBOT）的認(rèn)知決策任務(wù)，從而確保對(duì)目標(biāo)物體的無滑移和抗損傷抓取。相關(guān)研究成果以“Cognitive gripping with flexible graphene printed multi-sensor array”為題，發(fā)表在Communications Engineering期刊上。

圖1 認(rèn)知機(jī)器人抓手（COGBOT）的組成和定制化測(cè)試對(duì)象的不同截面

該電容式多傳感器陣列由集成在機(jī)器人抓手的臂端工具對(duì)上的接近和壓力傳感器陣列和可編程控制單元組成，是在厚度為30 μm的可彎曲聚酰亞胺介電層/襯底兩側(cè)采用非重疊雙面石墨烯印刷電極陣列制造的，可在3 cm范圍內(nèi)提供高靈敏度的電容式接近傳感，并提供比先前報(bào)道的電容式接近傳感器高3倍的動(dòng)態(tài)傳感范圍。

此外，研究人員通過對(duì)電容式多傳感器陣列的設(shè)計(jì)降低了認(rèn)知機(jī)器人抓手的電學(xué)復(fù)雜性，其中，電容式接近和壓力傳感器單元使用相同的反饋電路與控制單元進(jìn)行通信?；陉嚵械慕咏鼈鞲衅髟O(shè)計(jì)有利于目標(biāo)物體表面三維形貌的生成，從而有助于機(jī)器人抓手端臂工具對(duì)之間的目標(biāo)物體對(duì)面位置的估計(jì)和對(duì)準(zhǔn)。在抓取操作階段，利用與壓力傳感器操作時(shí)相同的傳感陣列生成抓取區(qū)域物體表面的三維壓力分布，從而檢測(cè)物體因抓取而產(chǎn)生的滑移或損壞。利用這些認(rèn)知數(shù)據(jù)，電容式多傳感器陣列能夠有效地抓取目標(biāo)物體最平坦的一組對(duì)面，從而使得端臂工具無需復(fù)雜的設(shè)計(jì)即可執(zhí)行精確的任務(wù)。

圖2 對(duì)目標(biāo)物體最平坦的一組對(duì)面的檢測(cè)

圖3 認(rèn)知機(jī)器人抓手認(rèn)知抓取過程主要步驟的俯視圖

認(rèn)知機(jī)器人抓手的控制單元與可編程的防滑移和抗損傷算法相關(guān)聯(lián)，從而分別防止了系統(tǒng)的不當(dāng)操作和物體的變形。這種無滑移和無損壞的抓取操作是通過一系列步驟實(shí)現(xiàn)的，包括（a）測(cè)量對(duì)特定物體的最佳抓取力和（b）連續(xù)監(jiān)測(cè)物體在抓取狀態(tài)下的壓力分布變化。因此，在抓取物體之前和之后用測(cè)量的最佳力確定抓取力的認(rèn)知自動(dòng)化方法，構(gòu)成了一種有前途的無需人類認(rèn)知的操作技術(shù)。

圖4 安全抓握物體和防滑移操作

最后，該電容式多傳感器陣列采用具有成本效益的材料以及無掩膜制造技術(shù)和可定制的電極設(shè)計(jì)，避免了由于印刷電極和電路而造成的可印刷油墨的浪費(fèi)，使其具有快速生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)制造的商業(yè)可行性，可用于家庭家務(wù)、自動(dòng)化機(jī)器人配送的醫(yī)療服務(wù)、機(jī)器人輔助餐飲服務(wù)和仿生手臂。

然而，盡管該認(rèn)知機(jī)器人抓手具有各種優(yōu)點(diǎn)，但它也有許多缺點(diǎn)，必須加以解決才能有效地使用。首先，雖然該電容式多傳感器陣列的近距離傳感器陣列在z < 30 mm時(shí)可以提供0.091 mm的高z軸分辨率，但其x-y平面度分辨率較低，為3 mm，并且隨著z的增加而進(jìn)一步惡化。因此，當(dāng)距離該傳感裝置z > 60 mm時(shí)，電容式多傳感器陣列可能會(huì)產(chǎn)生扭曲和模糊的物體電容映像。電容式多傳感器陣列的x-y平面度分辨率受基本傳感器單元尺寸a = 3mm和電極間距ζ = 3mm的限制，因此在形狀檢測(cè)過程中，尺寸< 3 mm的物體上的特征可能無法被清楚地區(qū)分出來，除非這些特征足夠清晰，從而產(chǎn)生高的表面電荷密度。此外，雖然該研究所提出的電容式多傳感器陣列是可彎曲的，但使用彎曲裝置估計(jì)物體形狀可能無法產(chǎn)生目標(biāo)物體的正確形狀，除非在測(cè)量期間重新校準(zhǔn)該裝置并納入該裝置的曲率。在抓取前確定物體的最合適的一組對(duì)面時(shí)，機(jī)器人手掌必須平行對(duì)準(zhǔn)并相互面對(duì)，以確保安全抓取。此外，為了利用電容式多傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力，認(rèn)知機(jī)器人抓手的未來研究工作將包括移動(dòng)物體的操作。為此，必須改進(jìn)檢測(cè)的響應(yīng)時(shí)間和程序中執(zhí)行迭代周期所需的時(shí)間。

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https://doi.org/10.1038/s44172-023-00095-y