華科吳豪/復旦李卓：超材料電子皮膚用于機器人抓握狀態監測

【背景介紹】

電子皮膚能為機器人靈巧手準確完成操作任務提供接觸物體屬性，接觸力以及接觸狀態等參數，是實現機器人在復雜且動態環境下的精準靈巧操作的關鍵技術。機器人操作任務的失敗往往會造成較大的時間和經濟損失。以靈巧操作中的最常見的抓握操作為例，不穩定抓取不僅會延長完成抓取任務的時間，還會對操作對象、機器人以及相關人員造成傷害。因此，亟需開發能夠實時監測機器人抓握狀態的感知系統。然而，由于傳感器性能和大規模數據處理等方面的挑戰，電子皮膚在實際機器人抓取和操作中的實用性演示相當有限。

【成果簡介】

近日，華中科技大學吳豪教授團隊聯合復旦大學李卓研究員，基于負泊松比超材料結構開發出高性能柔性電子皮膚。該傳感器在40%壓縮應變到80%拉伸應變區間內均具有良好的線性響應，并且與沒有超材料結構的傳感器相比具有更高的靈敏度。在該傳感器的基礎上，研究團隊還提出一種實時檢測機器人不穩定抓握狀態的通用方法。該方法借助相關分析和小波分解提取陣列傳感器信號的時域和時頻域特征。最終，通過對提取出的時間相關系數(時域特征)和小波系數(時頻域特征)進行實時監測以實現對不穩定抓握狀態的實時識別，總的檢測響應時間最快可達100ms，幾乎與人的反應時間相當。相關成果以“Flexible Mechanical Metamaterials Enabled Electronic Skin for Real-time Detection of Unstable Grasping in Robotic Manipulation” 發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文解析】

圖1 負泊松比結構制備工藝

如圖1所示，對普通的聚氨酯(PU)泡棉進行三軸壓縮并加熱，使PU泡棉的骨架由原來的外凸形變為內凹形，泊松比也隨之變為負值。隨后將具有負泊松比結構的泡棉浸入炭黑的乙醇溶液并超聲實現炭黑顆粒在泡棉表面的附著，從而實現具有超材料結構的應變傳感器的制備。

圖2 傳感器性能表征

如圖2所示，分別對超材料結構應變傳感器的拉伸和壓縮性能進行表征。可以看到在拉伸和壓縮應變下的響應均具有較好的線性度，并且和沒有超材料結構的傳感器相比，靈敏度有顯著提升。多次循環拉伸的響應也證實傳感器具有良好的可重復性和穩定性。

圖3 不穩定抓握狀態檢測算法示意圖

如圖3所示，對陣列化傳感信號進行時域和時頻域的分析。一方面，對相鄰時間點的傳感陣列信號進行相關分析得出相關系數作為信號的時域特征。另一方面，先通過主成分分析來降低大規模傳感陣列信號的數據維度，隨后對降維后的數據進行小波分解，取分解后的細節小波系數作為信號的時頻域特征。在實際使用過程中，通過獲取傳感陣列的數據并進行實時處理以實現不穩定抓握狀態的實時監測。

圖4 仿生五指手不穩定抓握狀態檢測

如圖4所示，根據實際抓握過程中與水杯的接觸區域分布，將傳感器粘貼在五指仿生手的指尖和手掌。通過信號采集和處理系統對傳感陣列的信號進行采集并傳輸至電腦終端。隨后在電腦終端運行檢測算法并實時顯示系數曲線。在實際抓握過程中，由于機械手在第四秒抓握水杯，傳感器的信號發生變化，導致兩種系數發生變化。這是由我們所設定的抓握動作所引起，屬于可預見的變化。隨后在第四秒到第十秒間，傳感器保持壓縮狀態，信號較為穩定，兩種系數也對應保持穩定狀態。如果五指手在第十秒成功抓起杯子，傳感器的狀態將仍然保持較為穩定的狀態，相對應地，兩種系數也應該保持穩定。然而實際過程中，五指手在第十秒發生滑移未能成功抓起杯子，傳感器的狀態發生變化。相應地，兩種系數在第十秒也發生了突變，表明抓握過程發生了意料之外的情況。由這一過程可以看出，發生滑移這一不穩定抓握狀態能夠很好地被這兩種系數所檢測到。

【總結與展望】

本文報道了一種基于負泊松比超材料結構的電子皮膚傳感器。超材料結構的引入一方面增加了傳感的靈敏度，另一方面使傳感器具有從壓縮應變到拉伸應變的寬線性響應范圍。基于傳感器實時監測的信號，本文還提出一種能夠實時檢測機器人不穩定抓握狀態的通用算法。對仿生五指手和三指軟抓手的一系列不穩定抓握狀態的準確識別證實了算法的有效性，表明超材料傳感器和不穩定抓握狀態識別算法在機器人感知和靈巧操作方面具有廣闊的應用前景。后續將對傳感器和算法進一步改進，使算法不僅能檢測不穩定抓握發生的空間位置和程度等一系列詳細信息，還可以控制機械手將不穩定抓握狀態調整為穩定抓握狀態。

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