“靈巧手”研發(fā)取得突破賦能多個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

端水杯、抓菠蘿、捏卡片、穿針引線……做這些動(dòng)作的不是人的手，而是一只“靈巧手”。這是人形機(jī)器人的關(guān)鍵部件，已在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。靈巧手不僅能做人手能做的一些事，也能做人手做不到的事，如長(zhǎng)時(shí)間負(fù)重、在危險(xiǎn)環(huán)境下工作。

機(jī)器人離我們的生活越來越近，人工智能（AI）技術(shù)也在日益精進(jìn)。在人工智能發(fā)展過程中，每一個(gè)突破都可能給產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來巨大影響。

“有人說AI的冬天要來了，現(xiàn)在看來，AI沒有迎來冬天，反而迎來了春天。因?yàn)锳I跟產(chǎn)業(yè)不斷結(jié)合，越來越接地氣了。”清華大學(xué)人工智能研究院智能機(jī)器人中心主任孫富春說。

有感知和認(rèn)知能力的靈巧手

“機(jī)器人是自動(dòng)化的‘最后一公里，靈巧手是機(jī)器人‘最后的一厘米。”多年前，基于這樣的判斷，孫富春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)靈巧手，至今已歷經(jīng)多次迭代，形成了多種靈巧手，如12自由度柔性手、剛性的二指手、觸覺感知五指手。這些靈巧手以觸覺、視覺等多模態(tài)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，采用深度學(xué)習(xí)算法，為機(jī)器人的多模態(tài)融合感知賦能，目前已在國(guó)內(nèi)30多家單位應(yīng)用。

清華大學(xué)人工智能研究院智能機(jī)器人中心研發(fā)的新一代靈巧手可感知4個(gè)模態(tài)，包括視覺、壓觸覺、視觸覺、聲音和位置，在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。2016及2019年，孫富春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際機(jī)器人與系統(tǒng)大會(huì)的“機(jī)器人靈巧抓取與操作”比賽中，兩度獲得冠軍。

“我們的靈巧手最大特色是有認(rèn)知和感知能力。”孫富春說，靈巧手背后有擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件工具支撐，能面對(duì)各種產(chǎn)品工作。

比如，孫富春團(tuán)隊(duì)將研發(fā)的多點(diǎn)陣列壓阻式傳感器集成在仿生五指手上。這款產(chǎn)品不僅具備指尖傳感器，還有掌面?zhèn)鞲衅鳎鉀Q了靈巧手的觸覺感知及指尖輸出力反饋問題，并且集成多種通信接口，硬件底層支持靈巧手觸覺算法的二次開發(fā)，便于更多高校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步研發(fā)利用。

其中，指尖觸覺傳感器設(shè)計(jì)上下面電極為“五橫五縱”形式，從而將整塊壓敏材料自動(dòng)分割成25個(gè)壓阻單元，并對(duì)傳感器的壓敏材料、制備工藝和傳感器后端數(shù)據(jù)進(jìn)行了精確的處理和標(biāo)定，使靈巧手手指?jìng)鞲衅髟趯?shí)物抓取中實(shí)時(shí)反饋，通過算法實(shí)現(xiàn)觸感知能力。

這些成果是經(jīng)歷了多年的技術(shù)積累取得的。在研究中，通過對(duì)觸覺、視覺技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的分析，孫富春團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人的皮層60%的觸覺跟視覺有關(guān)，因此提出了視觸覺融合的構(gòu)想，從人的腦和手的神經(jīng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)原理出發(fā)做靈巧手。10多年來，從簡(jiǎn)單的電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到硅膠材質(zhì)的人工皮膚、可以測(cè)量脈搏的石墨烯材料的電子皮膚，再到模擬神經(jīng)系統(tǒng)的靈巧手、多模態(tài)感知的變剛度軟手，孫富春及其團(tuán)隊(duì)一直持之以恒地研發(fā)。

“一方面剛?cè)岵?jì)，另一方面力可拔山。”清華大學(xué)人工智能研究院智能機(jī)器人中心博士后周懷東這樣形容團(tuán)隊(duì)研發(fā)的靈巧手，它可以輕松地抓取杠鈴，也可以隨意捏起海綿塊，并且具有較大抓重比優(yōu)勢(shì)（1∶10），自重僅有550克，單指拉力大于1.5千克，四指可輕松提起5千克的重物。

靈巧手的應(yīng)用非常廣泛，可用于機(jī)器人、假肢、自動(dòng)化行業(yè)及航天領(lǐng)域等。比如，靈巧手被用于殘疾人的假肢設(shè)備，增強(qiáng)他們的生活自理能力。孫富春團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與殘疾人輔助器具生產(chǎn)企業(yè)開展合作，開發(fā)基于生肌電控制的假肢。

智能3C產(chǎn)線

在多模態(tài)感知靈巧手研發(fā)的基礎(chǔ)上，孫富春團(tuán)隊(duì)聚焦通用靈巧操作末端、精細(xì)感知、虛實(shí)遷移、精準(zhǔn)操作等關(guān)鍵技術(shù)，搭建了微型3C柔性智能裝配示范產(chǎn)線。

目前，計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)電子產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱“3C”）在裝配中存在多個(gè)痛點(diǎn)。比如，自動(dòng)化產(chǎn)線的末端執(zhí)行器功能單一、感知缺失、效率低下，為完成一個(gè)簡(jiǎn)單零件的裝配，需要多個(gè)末端執(zhí)行器順序配合完成。電子產(chǎn)品產(chǎn)線往往采用定制化設(shè)計(jì)，而電子產(chǎn)品種類多樣，產(chǎn)線無(wú)法通用。同時(shí)，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代快，產(chǎn)品更新后產(chǎn)線便會(huì)淘汰，而新產(chǎn)線設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、投入資源大、調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)。

“要解決自動(dòng)化產(chǎn)線的痛點(diǎn)問題，需要研制一款兼具感知和智能操作功能、高度集成一體化的智能靈巧通用末端。”孫富春說。

孫富春在展示團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的各種靈巧手。圖/羅燕

孫富春介紹，智能3C產(chǎn)線構(gòu)建了面向3C裝配的精細(xì)化操作技能知識(shí)庫(kù)，包含1.5萬(wàn)條操作技能，涵蓋了20多種裝配工藝。產(chǎn)線還開發(fā)了高分辨率視觸傳感器，研制了智能通用末端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟排線、SIM卡等典型零件的精細(xì)化裝配。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心。智能3C產(chǎn)線采用多模態(tài)大模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工人操作技能示范解析與技能學(xué)習(xí)，并通過元學(xué)習(xí)和知識(shí)蒸餾的操作技能遷移學(xué)習(xí)和增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊化、智能化、通用化的3C智能精準(zhǔn)裝配。

智能3C產(chǎn)線還構(gòu)建了具有物理交互特性的數(shù)字孿生環(huán)境，提出基于物質(zhì)點(diǎn)法的虛擬視觸力模擬，實(shí)現(xiàn)了虛擬視角下的高精度數(shù)字裝配。

目前，智能3C產(chǎn)線已經(jīng)在比亞迪等企業(yè)試產(chǎn)，并參加了全國(guó)顛覆性創(chuàng)新技術(shù)大賽。“采用智能產(chǎn)線，3C裝配就可以換產(chǎn)品不換產(chǎn)線了。從自動(dòng)化到智能化，將是產(chǎn)業(yè)邁出的一大步。”孫富春說。

在孫富春看來，在全球科技競(jìng)爭(zhēng)中，既要重視人工智能的前沿理論技術(shù)，又要重視利用最先進(jìn)的人工智能技術(shù)賦能產(chǎn)業(yè)。