作者：朱利安·蓋伊（Julien Ghaye）博士，邁來(lái)芯機(jī)器人產(chǎn)品線經(jīng)理

機(jī)器人新時(shí)代的到來(lái)，不僅是為了提高性能，更是為了促進(jìn)機(jī)器與環(huán)境之間，以及更重要的，與整個(gè)社會(huì)之間建立一種新型的融合。機(jī)器人正開始走出封閉的生產(chǎn)線，進(jìn)入家庭、醫(yī)院、倉(cāng)庫(kù)和野外——這些空間本身更具動(dòng)態(tài)性、非結(jié)構(gòu)化，且常常與人共享。

這種轉(zhuǎn)變不僅依賴于人工智能 (AI) 的進(jìn)步，還需重新審視機(jī)器人感知世界的方式。在這些環(huán)境中，物理交互既不可避免又常具不可預(yù)測(cè)性，因此要求機(jī)器人能夠真正模擬人類的感官，其中觸覺(jué)扮演著至關(guān)重要的角色。機(jī)器人不僅要決策執(zhí)行何種操作，更要理解其操作方式：例如，抓握是否穩(wěn)固，是否發(fā)生接觸，以及阻力有無(wú)變化。

這一愿景的實(shí)現(xiàn)，并非僅依賴于孤立的技術(shù)提升。將觸覺(jué)傳感器等反饋機(jī)制與智能自適應(yīng)控制系統(tǒng)相融合，是一項(xiàng)跨學(xué)科的挑戰(zhàn)，亟需電子硬件、軟件、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)器人以及機(jī)電一體化領(lǐng)域的專家展開廣泛協(xié)作。

本文旨在探討Melexis與布魯塞爾自由大學(xué) (VUB) 布魯塞爾人類機(jī)器人研究中心Brubotics之間的合作，如何為開辟機(jī)器人交互新領(lǐng)域樹立典范。

賦能智能機(jī)器人感知

現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)，特別是在配備高精度視覺(jué)系統(tǒng)并應(yīng)用于重復(fù)性操作時(shí)，已展現(xiàn)出令人矚目的精度和適應(yīng)性。然而，觸覺(jué)感知——即感知和解釋物理接觸的能力——仍然相對(duì)有限。目前許多機(jī)器人設(shè)想利用視覺(jué)反饋和先進(jìn)的力傳感器，但由于成本過(guò)高和難以達(dá)到所需精度等因素，這些傳感器的實(shí)際集成常常受到限制。

盡管這種基本方法在高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中行之有效，但當(dāng)機(jī)器人需要操作易碎或不規(guī)則物體、動(dòng)態(tài)調(diào)整抓取力或與人類安全交互時(shí)，其局限性便會(huì)顯現(xiàn)。與人類觸覺(jué)（其包含壓力、方向、摩擦和振動(dòng)等多種感知信息）的豐富性不同，大多數(shù)機(jī)器人平臺(tái)對(duì)接觸的理解相對(duì)狹窄。

例如，缺乏可靠的剪切力檢測(cè)將限制系統(tǒng)檢測(cè)抓取何時(shí)打滑的能力。若不具備此能力，機(jī)器人將不得不依賴預(yù)設(shè)的抓取策略或過(guò)度補(bǔ)償力，這會(huì)增加物體掉落或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。這也限制了它們從交互中學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)適應(yīng)不斷變化條件的能力，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)對(duì)抓取任務(wù)的建模和理解本質(zhì)上是有限的。

為彌補(bǔ)人類在多模態(tài)觸覺(jué)反饋方面的固有不足，機(jī)器人需配備先進(jìn)的觸覺(jué)硬件，以提供全面的三維信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其環(huán)境更準(zhǔn)確的感知與交互。這種對(duì)人類操作的效仿也延伸到了軟件層面。

復(fù)雜的嵌入式軟件，例如邊緣人工智能，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)解釋觸覺(jué)數(shù)據(jù)至關(guān)重要，尤其是在理解和適應(yīng)機(jī)器人在非預(yù)設(shè)抓取任務(wù)中與物體進(jìn)行的復(fù)雜交互方面。然而，復(fù)雜物理交互的人工智能開發(fā)本身可能非常耗時(shí)，尤其是在真實(shí)世界中進(jìn)行時(shí)。

這些挑戰(zhàn)體現(xiàn)了機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)更深層次的問(wèn)題：傳感硬件與人工智能開發(fā)之間長(zhǎng)期存在的隔閡。為了促進(jìn)機(jī)器人觸覺(jué)技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步，硬件與軟件不僅需要各自提升，更應(yīng)在共享用例、通用數(shù)據(jù)集和協(xié)同設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下協(xié)同演進(jìn)。正是傳感器設(shè)計(jì)與機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用之間的這種差距，促成了Melexis和Brubotics之間的合作。

協(xié)同合作：Melexis與Brubotics 的實(shí)踐

在法蘭德斯創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)局 (VLAIO) SKINAXIS項(xiàng)目的資助下，布魯塞爾自由大學(xué) (VUB) Brubotics 聯(lián)盟的八個(gè)研究小組，正致力于應(yīng)用 Melexis 技術(shù)，旨在賦予機(jī)器人以真實(shí)的觸覺(jué)感知能力。此項(xiàng)研究不僅著眼于解決接觸力精確測(cè)量的技術(shù)難題，更致力于應(yīng)對(duì)如何有效利用這些數(shù)據(jù)以提升機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中性能的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

該項(xiàng)目的硬件核心采用 Melexis 專為機(jī)器人市場(chǎng)全新設(shè)計(jì)的創(chuàng)新產(chǎn)品——Tactaxis。與通常僅檢測(cè)垂直（法向）壓力的傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器不同，這種新型 3D 磁性觸覺(jué)傳感器能夠以高精度和高分辨率檢測(cè)法向和橫向（剪切）力。這得益于其精巧的機(jī)械-磁性設(shè)計(jì)：嵌入柔軟彈性體結(jié)構(gòu)中的磁體在外力作用下發(fā)生位移，下方通過(guò) Triaxis 3D 磁傳感 IC 測(cè)量此位移。在此配置下，每個(gè)緊湊型 6 x 6 x 4.4 mm3 的觸覺(jué)傳感器均能以高達(dá)每秒 1000 個(gè)樣本的速度傳輸實(shí)時(shí)接觸力矢量數(shù)據(jù)，靈敏度達(dá)到 30 mN，法向力范圍為 5 N，過(guò)載電阻為 15 N，確保捕捉到最微小的偏差。

在此項(xiàng)目中，Brubotics的職責(zé)是將原始傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的機(jī)器人應(yīng)用，旨在展示增強(qiáng)機(jī)器人交互安全性和精確度的創(chuàng)新解決方案。這需要開發(fā)人工智能算法、機(jī)器人控制策略和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以使機(jī)器人能夠解釋傳感器反饋、預(yù)測(cè)打滑，并調(diào)節(jié)抓手力，從而確保牢固抓取各種物體而不會(huì)造成變形。

Brubotics并未從零開始收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)（這是一個(gè)緩慢且費(fèi)力的過(guò)程），而是利用NVIDIA的Isaac Sim平臺(tái)，采用了一種基于仿真的訓(xùn)練方法。

Brubotics團(tuán)隊(duì)通過(guò)將Tactaxis傳感器的物理模型集成到虛擬機(jī)器人系統(tǒng)中，使其人工智能模型能夠在模擬環(huán)境中處理數(shù)千項(xiàng)操作任務(wù)。這些數(shù)字孿生涵蓋了物體特性、表面摩擦和動(dòng)態(tài)交互等常見(jiàn)變量，從而使模型能夠?qū)W習(xí)豐富的接觸行為，而不受真實(shí)世界數(shù)據(jù)收集瓶頸的限制。

在邁來(lái)芯的支持下，人工智能模型正通過(guò)真實(shí)世界測(cè)試不斷完善和驗(yàn)證，以確保虛擬與物理性能的一致性。同時(shí)，高精度傳感器數(shù)學(xué)模型正在開發(fā)中，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以表征其精確局限性。這一嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程使團(tuán)隊(duì)能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景量化傳感器的性能，為更廣泛的部署奠定基礎(chǔ)。與其他替代方案相比，該傳感器小巧、輕便且價(jià)格低廉的設(shè)計(jì)，為這項(xiàng)工作提供了內(nèi)在支持，使其適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

潛在的應(yīng)用場(chǎng)景

盡管研究工作仍在進(jìn)行中，人工智能模型也在不斷完善以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，但Brubotics仍成功地將Melexis技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)原型項(xiàng)目中。

研究團(tuán)隊(duì)正在康復(fù)和輔助機(jī)器人領(lǐng)域探索利用配備Tactaxis的機(jī)器人檢測(cè)患者主動(dòng)發(fā)起的運(yùn)動(dòng)。這些系統(tǒng)不再是被動(dòng)的設(shè)備或僵硬的施力器，而是能夠更準(zhǔn)確地推斷運(yùn)動(dòng)意圖，并提供相應(yīng)比例的動(dòng)態(tài)支持。這在外骨骼或治療性機(jī)械手等設(shè)備中具有至關(guān)重要的功能。

針對(duì)通用機(jī)器人操作，硬件與軟件實(shí)體之間的協(xié)作展示了如何通過(guò)基于精確三維觸覺(jué)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)控制來(lái)提升抓手和機(jī)器人的性能。該項(xiàng)目的持續(xù)成功凸顯了工程師在設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)物體穩(wěn)定性變化并調(diào)整抓取策略的系統(tǒng)方面的能力——這對(duì)于人形機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人（Cobots）和自主移動(dòng)系統(tǒng)而言至關(guān)重要。這種伙伴關(guān)系獨(dú)特地結(jié)合了公共資金、學(xué)術(shù)研究、行業(yè)專有技術(shù)和實(shí)際測(cè)試，反映了機(jī)器人開發(fā)的復(fù)雜過(guò)程，并展示了有意義的機(jī)器人應(yīng)用如何從實(shí)驗(yàn)室加速推向?qū)嶋H部署。

開創(chuàng)更智能的機(jī)器人未來(lái)

Melexis和Brubotics之間的合作雖然專注于特定的試點(diǎn)應(yīng)用，但其深遠(yuǎn)影響不容忽視。這項(xiàng)精確、定向、緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的觸覺(jué)傳感技術(shù)，有望成為下一代機(jī)器人系統(tǒng)的基石能力。

對(duì)于協(xié)作機(jī)器人而言，其在執(zhí)行器層面檢測(cè)和解釋接觸事件的能力，而非僅限于表面檢測(cè)，有助于實(shí)現(xiàn)更安全、更靈活的行為。機(jī)器人不再是遇到阻力便完全停止，而是能夠評(píng)估輕微的觸碰是故意的、偶然的，還是需要適應(yīng)的信號(hào)。觸覺(jué)傳感增強(qiáng)了機(jī)器人夾具對(duì)物體重量、形狀或柔順性變化的響應(yīng)能力——這些特性難以通過(guò)視覺(jué)進(jìn)行評(píng)估。這也支持了使用更柔軟、更順從的材料，因?yàn)榭刂撇辉賰H僅依賴于固定的抓取力或預(yù)定義的軌跡。

人形機(jī)器人和服務(wù)型機(jī)器人的迅速發(fā)展，凸顯了對(duì)真實(shí)觸覺(jué)的迫切需求。觸覺(jué)對(duì)于有效抓取物體，以及在不可預(yù)測(cè)、擁擠或?qū)槿祟惤换ピO(shè)計(jì)的環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航至關(guān)重要。觸覺(jué)反饋使這些機(jī)器人能夠適應(yīng)輕微接觸，通過(guò)順應(yīng)性引導(dǎo)交互，并以與周圍人員更直觀的方式運(yùn)行。

“此次合作彰顯了Melexis對(duì)創(chuàng)新的堅(jiān)定承諾。通過(guò)與大學(xué)研究人員攜手，并支持學(xué)生參與，并將其卓越的工程能力貢獻(xiàn)于共同的挑戰(zhàn)，公司致力于將基礎(chǔ)技術(shù)轉(zhuǎn)化為具有實(shí)際社會(huì)影響的系統(tǒng)?！?/p>

隨著機(jī)器人技術(shù)日益從工業(yè)領(lǐng)域拓展至日常生活，各種形式的合作將有助于開發(fā)安全、可靠且富有意義的機(jī)器人交互。如欲深入了解Melexis先進(jìn)傳感器技術(shù)如何助力工程師推動(dòng)下一代智能機(jī)器人系統(tǒng)，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)點(diǎn)擊>>了解更多。