搭載柔性觸覺傳感器陣列 輪腿式機器人用頭部操控球形物體

這是一款輪腿式機器人Ollie，別名“輪滑小子”。其擁有感知接觸能力，可感知并識別包括觸碰位置、觸碰軌跡、觸碰力度、觸碰方式等在內的來自外界的接觸信息，并作出對應的反應。

同時，它還具有穩定的運動能力，不僅能夠靈活地完成雙輪邁步，還能完成用頭部操控球形物體，用下半身確保穩定行駛的高難度搬運任務。

完成高難度搬運任務

新增觸覺傳感器,豐富機器人感知世界的能力

智能機器人智能觸控系統的工作原理

正如人類在與環境的互動中需要五種基本感官——視覺、觸覺、聽覺、嗅覺和味覺——共同發揮作用，機器人要想擁有更高的感知世界并與之互動的能力，僅僅提高視覺與聽覺水平是不夠的，其觸覺水平的提高也同樣重要。

觸覺水平提高的機器人會對人類更加有用。比如，幫人們打開一個瓶子而不會打破它。此外，高性能的觸覺傳感器還可以幫助機器人為人類提供包括物體形狀、重量、剛度等在內的一些關鍵信息。

Ollie所搭載的觸覺傳感器是清華大學集成電路學院聯合Robotics X實驗室共同的具有高靈敏度、超大壓力檢測量程、超快響應速度柔性壓阻薄膜，集成定制化的高空間分辨率、高速信號采集模塊硬件系統，使機器人的觸覺水平在機器人智能控制、人機交互方面達到了新高度。

同時，在觸覺傳感器硬件電路的研制中，團隊在4英寸柔性聚酰亞胺襯底上研制出的64×64柔性晶體管基陣列電路，該陣列電路是基于單壁碳納米管的薄膜晶體管有源矩陣，同自主研制的壓阻薄膜集成，構建了空間分辨率0.9毫米（相當于每英寸28.2像素）高密度觸覺神經網絡系統。

相關論文以《用于靈敏智能機器人觸覺感知的大規模集成柔性觸覺傳感器陣列》為題已被納米科技領域國際頂刊ACS Nano所接收。

一般來說，柔性壓力傳感主要有三種類型：壓電式、電容式和壓阻式。這種觸覺傳感器屬于壓阻式傳感器，有著結構簡單、信號讀取方便、檢測范圍廣、成本低的優點。

在該領域中，采用了碳納米管、納米纖維等復合導電納米材料和聚合物彈性體合成壓阻薄膜最為先進，但是，由于導電納米材料很難均勻地分散在彈性體中，所形成的聚合物彈性體合成壓阻薄膜通常有著壓力靈敏度相對較低（尤其是在＞1000kPa的高壓范圍）的缺點。

在從硅處理晶片上剝離之前與之后的具有64×64 CNT TFT的有源矩陣的照片

盡管有其他研究通過將表面處理成金字塔等各種微結構來增強其靈敏度，但由于這些微結構在壓力下容易變形，所以這些方法均效果不佳。

采用了MWCNTs/TPU的高性能聚合物彈性體合成壓阻薄膜的結構表征

該研究小組采用了碳納米管導電納米材料和聚合物彈性體合成壓阻薄膜，各項性能指標均高于目前國際產學研水平，靈敏度最高可至385kPa-1，響應速度為3ms/5ms，檢測范圍達到1400kPa，并表現出優異的線性度，更重要的是，它的可循環性十分出色，超過3000次循環表現也不會惡化，非常適合產品化。

各個參數的聚合物彈性體合成壓阻薄膜薄膜系列表現出不同的特征，可廣泛應用于不同的觸覺場景，良好的線性度進一步降低了軟件運算難度。

使用氦離子顯微鏡和共聚焦激光掃描顯微鏡，對該材料進行詳細的結構分析后可以發現，新的聚合物彈性體合成壓阻薄膜之所以有如此出色的壓力傳感性能，是因為該聚合物彈性體合成壓阻薄膜頂部表面，具有自形成碳納米管包覆型微結構。

經過測試，該觸覺傳感器可以準確檢測蜜蜂的足跡以及人類手腕的脈搏。此外，通過集成64×64壓力傳感器陣列和基于憶阻器的內存計算芯片，研究人員還制作了有著信號傳感和識別能力的智能觸覺系統原型，后者在手寫數字和漢字識別實驗中分別實現了98.8%和97.3%的軟件等效分類準確率。

新增觸覺傳感器,豐富機器人感知世界的能力

邁步動作看似簡單，實則不易達成，需要將機器人的動作劃分為兩個階段，分別是單輪支撐階段和雙輪支撐階段。

在單輪階段，機器人在前進或跨越障礙物的過程中，存在單輪著地的情況，此時，輪腿既要控制行駛轉向，又要保持動態平衡。在雙輪階段，地面和兩個輪子之間存在著相對滑動，且還要在蹬地動作中完成能量的匯聚和注入。

這其中所涉及的機器人接觸力和動力學特性是非常復雜的。

為攻克上述難題，研究者基于強化學習和自適應動態規劃技術，提出了一種數據驅動的VI算法。這是基于學習的控制方法在輪腿式機器人平衡中的首次應用，能夠在缺乏精確動力學特性的情況下，生成相對穩定的雙輪邁步動作。

同時，研究者從理論上分析了數據驅動VI算法的收斂性和自適應最優控制器對機器人閉環穩定性的影響，并在不同情況下開展了物理實驗，從多個方面助力Ollie完成全新的進化升級。

作為一個非線性欠驅動系統，為輪腿機器人設計平衡控制器是非常困難的。目前人們大多運用基于模型的線性二次調節器技術來解決平衡問題，但這種方式高度依賴動態模型的準確性。

由于輪腿機器人機械結構復雜，很難建立精確的動力學模型。同時，當機器人的物理參數發生變化，為保證穩定性，基于模型的控制器的參數也需要隨之進行調整，這也在很大程度上阻礙了機器人的自動化發展。

為了讓機器人的雙輪平衡更具環境適應性，研究人員為Ollie搭載了自適應動態規劃平衡控制技術，保證輪腿機器人能夠擁有最優的平衡控制能力。

因此，在運送球形物體的復雜搬運任務中，Ollie表現十分出色。它既可以感知到球的相對位置和運動狀態，又可以實時收集并完成數據的處理，在多種地形條件下都能實現頭部控制物體，下部保證平衡的能力。

據悉，對于目前已擁有感知接觸能力和穩定運動能力的Ollie，研究人員會繼續承擔機器人本體設計、系統集成、廣泛感知、控制規劃等多方面的研究任務，不斷推進技術的積累和升級。