华科吴豪/复旦李卓：超材料电子皮肤用于机器人抓握状态监测

【背景介绍】

电子皮肤能为机器人灵巧手准确完成操作任务提供接触物体属性，接触力以及接触状态等参数，是实现机器人在复杂且动态环境下的精准灵巧操作的关键技术。机器人操作任务的失败往往会造成较大的时间和经济损失。以灵巧操作中的最常见的抓握操作为例，不稳定抓取不仅会延长完成抓取任务的时间，还会对操作对象、机器人以及相关人员造成伤害。因此，亟需开发能够实时监测机器人抓握状态的感知系统。然而，由于传感器性能和大规模数据处理等方面的挑战，电子皮肤在实际机器人抓取和操作中的实用性演示相当有限。

【成果简介】

近日，华中科技大学吴豪教授团队联合复旦大学李卓研究员，基于负泊松比超材料结构开发出高性能柔性电子皮肤。该传感器在40%压缩应变到80%拉伸应变区间内均具有良好的线性响应，并且与没有超材料结构的传感器相比具有更高的灵敏度。在该传感器的基础上，研究团队还提出一种实时检测机器人不稳定抓握状态的通用方法。该方法借助相关分析和小波分解提取阵列传感器信号的时域和时频域特征。最终，通过对提取出的时间相关系数(时域特征)和小波系数(时频域特征)进行实时监测以实现对不稳定抓握状态的实时识别，总的检测响应时间最快可达100ms，几乎与人的反应时间相当。相关成果以“Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real-time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation” 发表在Advanced Functional Materials上。

【图文解析】

图1 负泊松比结构制备工艺

如图1所示，对普通的聚氨酯(PU)泡棉进行三轴压缩并加热，使PU泡棉的骨架由原来的外凸形变为内凹形，泊松比也随之变为负值。随后将具有负泊松比结构的泡棉浸入炭黑的乙醇溶液并超声实现炭黑颗粒在泡棉表面的附着，从而实现具有超材料结构的应变传感器的制备。

图2 传感器性能表征

如图2所示，分别对超材料结构应变传感器的拉伸和压缩性能进行表征。可以看到在拉伸和压缩应变下的响应均具有较好的线性度，并且和没有超材料结构的传感器相比，灵敏度有显著提升。多次循环拉伸的响应也证实传感器具有良好的可重复性和稳定性。

图3 不稳定抓握状态检测算法示意图

如图3所示，对阵列化传感信号进行时域和时频域的分析。一方面，对相邻时间点的传感阵列信号进行相关分析得出相关系数作为信号的时域特征。另一方面，先通过主成分分析来降低大规模传感阵列信号的数据维度，随后对降维后的数据进行小波分解，取分解后的细节小波系数作为信号的时频域特征。在实际使用过程中，通过获取传感阵列的数据并进行实时处理以实现不稳定抓握状态的实时监测。

图4 仿生五指手不稳定抓握状态检测

如图4所示，根据实际抓握过程中与水杯的接触区域分布，将传感器粘贴在五指仿生手的指尖和手掌。通过信号采集和处理系统对传感阵列的信号进行采集并传输至电脑终端。随后在电脑终端运行检测算法并实时显示系数曲线。在实际抓握过程中，由于机械手在第四秒抓握水杯，传感器的信号发生变化，导致两种系数发生变化。这是由我们所设定的抓握动作所引起，属于可预见的变化。随后在第四秒到第十秒间，传感器保持压缩状态，信号较为稳定，两种系数也对应保持稳定状态。如果五指手在第十秒成功抓起杯子，传感器的状态将仍然保持较为稳定的状态，相对应地，两种系数也应该保持稳定。然而实际过程中，五指手在第十秒发生滑移未能成功抓起杯子，传感器的状态发生变化。相应地，两种系数在第十秒也发生了突变，表明抓握过程发生了意料之外的情况。由这一过程可以看出，发生滑移这一不稳定抓握状态能够很好地被这两种系数所检测到。

【总结与展望】

本文报道了一种基于负泊松比超材料结构的电子皮肤传感器。超材料结构的引入一方面增加了传感的灵敏度，另一方面使传感器具有从压缩应变到拉伸应变的宽线性响应范围。基于传感器实时监测的信号，本文还提出一种能够实时检测机器人不稳定抓握状态的通用算法。对仿生五指手和三指软抓手的一系列不稳定抓握状态的准确识别证实了算法的有效性，表明超材料传感器和不稳定抓握状态识别算法在机器人感知和灵巧操作方面具有广阔的应用前景。后续将对传感器和算法进一步改进，使算法不仅能检测不稳定抓握发生的空间位置和程度等一系列详细信息，还可以控制机械手将不稳定抓握状态调整为稳定抓握状态。

文献链接：Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real-time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation https://doi.org/10.1002/adfm202109109