柔性印刷石墨烯基電容式多傳感器陣列，用于機(jī)器人對(duì)目標(biāo)物體的認(rèn)知抓取

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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(wú)滑移和無(wú)損壞的抓取操作是通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)程中，尺寸< 3 mm的物體上的特征可能無(wú)法被清楚地區(qū)分出來(lái)，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(wú)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(lái)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