在機器人電影里,即使擁有最先進的類人偽裝,機器也很可能在“端起一個紙杯”時被識破,沒有觸覺的假手臂難以通過細微的反饋做出判斷、控制力道,經常一抓就扁露了餡。但在東南大學儀器科學與工程學院院長宋愛國的實驗室里,一款“新型肌電假手”卻能讓機器人擁有一雙“靈巧手”,根據肌電信號完成手部的18個動作識別。
“我們在機械手的指端裝上觸覺傳感器、指根裝入力傳感器,在人體的肌肉群表面穿戴肌電傳感器……”在研究中,宋愛國的團隊還將人體內最復雜的大腦“邀請”進來,腦電波通過脊髓神經傳遞給肌肉,發出肌電信號。在大量研究的基礎上,研究團隊擁有了一個珍貴的“庫”,包含了人體內肌電信號的主要“密碼”特征。掌握了“密碼”,和肌肉“對話”成為可能。假手受到的外部觸覺刺激如果轉化為神經輸入的電信號,進而進入大腦中,就能夠讓大腦產生觸覺感知,明白假手與外部環境的接觸狀態,真正將假手當作自身的一部分。“我們發現大腦還可以被訓練,多次的反饋矯正能夠幫大腦作出適應性改變。”宋愛國說。
“新型肌電假手”只是宋愛國實驗室里所研發出機器人產品的一種服務型機器人,從天上飛的航空航天機器人,核輻射和爆炸威脅環境下工作的核化探測、核電巡檢、防恐排爆機器人,宜室宜家的助老助殘康復機器人……宋愛國研發的這幾款機器人,都已經走出了實驗室,全部進入產業應用階段。
宋愛國告訴記者,這些機器人并不是要完全取代人,而是實現人與機器人的深度耦合。早在1993年3月,宋愛國的導師黃惟一教授將“863”計劃項目“力覺臨場感機器人基礎研究”的內容作為他的博士課題。
“臨場感機器人”就是一種先進的人機交互遙操作機器人,通俗地說,機器人工作在遠端,人在本地,通過各種傳感設備測量人肢體的運動信息并作為控制指令去控制機器人的運動與操作,人怎么動,機器人就怎么動;同時,再將機器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺反饋給人,使人產生遠在異地的“身臨其境”的感受,就像電影《阿凡達》描寫的一樣。
宋愛國作為第一完成人的《人機交互遙操作機器人的力覺感知與反饋技術》項目一直受到“863”項目的支持,并獲得2019年度國家技術發明二等獎。經過20余年的基礎研究和技術攻關,項目組先后研制成功高精度的機器人六維力傳感器、仿生柔性觸覺傳感器、小型化的力反饋執行器、高精度大空間六自由度力反饋手控器、力觸覺感知數據手套等人機交互遙操作機器人核心元件或裝置以及四種類型的遙操作移動機器人系統,并在我國載人航天與探月工程、核電工程等重要領域得到應用。
比如宋愛國團隊為“天宮二號”研制了航天員在軌操作力的測量傳感器以及測量系統,人在失重環境下肌肉到底能產出多大的力?之前只有美國和俄羅斯有這個數據。這套測量裝置主要用于完成“天宮二號”一系列飛行任務,即航天員在軌各種操作力的測量、人機工效學和生物力學實驗,如開艙門推拉力、操縱桿操作力以及腳蹬力等。航天員在規定時間內完成不同動作后,儀器會顯示航天員施力的大小。最終對空間站內航天員13種操作力、36種操作方式進行精確的力測量。
“遙操作”是月面巡視機器人(月球車)的四大關鍵技術之一,受航天五院和通訊與跟蹤研究所的委托,宋愛國團隊還負責研制了兩套地面模擬實驗月面巡視機器人,主要研究月球車的遙操作控制算法和環境識別的感知系統,在“嫦娥三號月面巡視器”工程任務中立下汗馬功勞。 宗禾
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