The unstable queen: Uncertainty, mechanics, and tactile feedback 机器人操纵的触觉反馈

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本文是Alberto Rodriguez在Science Robotics 26 May 2021的一篇Focus，从一个实际工程中机器人操纵的例子入手，阐述了机器人操纵的触觉反馈。通过将触觉反馈和机械系统反馈以及基于传感器的反馈进行对比，指出了触觉反馈的优势，以及在现实工程中的局限性。最后他提出了关于基于触觉反馈的闭环控制方法的三个问题，这三个问题集中在将这种控制方法应用于实际工程中的潜力。

个人认为，触觉反馈对于机器人操纵是一个很有前景的研究方向。近年来，电子皮肤是材料领域非常火的一个研究课题，但是将这些各式各样的电子皮肤应用于现实工程中还是比较少，一般来说都是粘附在人体，测人体的信号。但是如果能将电子皮肤作为一种触觉反馈和机器人结合，将其应用于机器人中，潜力非常的大，这也正是本文提出的观点。举例而言，把这种电子皮肤触觉传感器贴在机械臂的末端，电子皮肤测得的接触力可以作为机器人控制系统的反馈，而这种触觉反馈是其他的传统传感器所无法提供的，这也能在某些程度上提高机器人操纵控制的精度。

以下为个人翻译，建议阅读原文The unstable queen: Uncertainty, mechanics, and tactile feedback（https://robotics.sciencemag.org/content/6/54/eabi4667）

触觉反馈是非结构化环境下机器人灵巧性的自然途径。

不确定性是机器人操作的核心。Mason（1）回忆说，他曾试图编程让一个机器人反复拿起和放下一块皇后棋子。当从顶端抓起时，女王会在五到六次的挑选和放置循环后倒下。简单的抓取和放置动作似乎让女王变得“不稳定”，但当机器人从侧面抓起女王时，这并没有发生。

Mason考虑了接触力学中的不确定性，以及如何利用物理相互作用的自然动力学来克服这种不确定性。这一理念推动了许多基于自然稳定的操作策略的发展，例如，托盘倾斜（2）、挤压抓取（3）、稳定推动（4）或推动抓取（5）等。这些策略利用操纵动力学中的自然不变性，确保这些方法可以减少任务错误。从控制的角度而言，这些策略不需要传感单元，仅使用一个被动负反馈回路。相反，对于不稳定的皇后的操纵过程，从顶部抓取和放置的过程是一个正反馈回路，该回路会破坏皇后和夹持器的对齐过程的稳定性。

使用被动机械反馈，而不使用传感器的控制方法在工业界很常见。这是很有道理的，在这些场景中，这种方法是非常简单又高效的。最有影响力和启发性的两个例子是使用振动碗喂料机进行自动零件定向，使用被动远程合规中心设备进行插入任务的自动对准。

触觉反馈

依然从控制的角度来看，有时候使用基于传感器的闭环反馈控制方法要比简单的基于机械系统的反馈控制的效果好很多，如使用光学编码器和PID闭环控制方法来控制电机或驱动器速度。很自然的一个问题是，什么时候使用基于传感器的闭环控制方法效果要比基于机械系统的闭环控制效果要好。

在一个最新的触觉反馈的综述中，Lee（6）指出，“长期以来，人们普遍认为触觉传感器将对工业机器人和自动化产生重大影响，然而，触觉传感器基本上并没有被应用到现实工程中。”他继续证明，正是许多工业环境的结构性降低了触觉反馈提供的灵活性带来的潜在好处。如果足够结构化，高度工程化的解决方案将始终获胜，因此结构化或易于结构化的工业环境可能不是触觉反馈最直接的应用。其推论是，在非结构化环境中，旨在利用操纵的自然动力学的解决方案将很难实现。

处理这种非结构化不确定性的能力，例如当小心地调整抓取未知物体的方向时，是构建灵活操纵系统的关键。在这些非结构化的环境中，具有不确定或未知的几何形状、材料和配置，触觉反馈提供了一种自然的方法来调节操纵控制回路。一类新兴的触觉传感器（7）配置在机器人的摩擦接触面（图1）上，对我们用来模拟接触力学的相同变量提供精确、密集和及时反馈：接触几何和接触力的空间分布，以及由其导数捕获的事件，例如滑动或闭合/断开触点。

但是什么操纵闭环控制是我们需要调节的？

摩擦接触力学，以及我们在机器人学中常用的近似方法，都会导致复杂的动力系统欠驱动和混合，因此很难控制。我相信触觉反馈的一个关键作用，如果不是它的关键作用的话，就是调节从简单动力学中受益的状态的操纵。

Howe(8)在较早的一篇综述中写到，“人类的灵巧是一件很了不起的事情，人们可以掌握各种各样的形状和大小，执行复杂的任务，并根据不断变化的任务要求在抓握之间切换……在很大程度上，这种控制能力建立在触觉和力觉的基础上，特别是在手指与物体接触时感知条件的能力。”Howe所指的这些接触条件包括接触模式，如闭合和断开接触、滚动或滑动。

我推测调节接触模式是触觉反馈控制简化接触动力学的一个主要方法，例如，通过强制保持/释放接触或防止/调节滑动。其原理是将触觉反馈控制回路视为促使触点行为更像理想模型的原因，然后将其用于模拟和规划。我们最近展示了使用可调节的接触模式，以方便灵活操纵刚性和可变形物体与粘（9）和滑动（10）接触。

触觉控制的三个问题

在下面，我罗列了三个触觉控制的问题，阐明了触觉反馈在缺乏精确的几何模型、材料和配置的问题。

1）单个触点控制。保持机器人手指与其环境之间的接触模式（例如，粘滞、滑动或所需的压力分布）。通过触觉反馈直接观察互动的机会与适应不确定环境的挑战相匹配，不确定环境可以是固定的，也可以是移动的，也可以是可移动的。这个问题与探测、轮廓跟踪或共享抓取等技能有关。

2）多触点配置的控制。在多重接触队形中保持接触模式，例如，抓住不确定或未知的物体。在这里的挑战是如何调整模式，涉及内力在一个强有力的稳定抓握或模式涉及同时粘/滑接触在精细物体操纵。

3）外部接触的控制。在被抓物体与其环境的相互作用中保持一种接触方式，例如，不稳定的皇后与棋盘之间的接触。现在的挑战是控制一个未感知的接触，间接地通过在抓握感测接触的反馈。这个问题与放置对象、引导插入或使用工具等技能有关。

总之，触觉反馈在操作中的关键作用是简化摩擦接触的动力学。机器人可以通过调节接触模式来做到这一点，例如，强制要求接触在应该滑动时滑动或滑动。这提高了我们模拟和规划复杂灵巧操作的能力。虽然机械反馈的效率在许多结构化应用中是可取的，但机器人技术的前景包括许多非结构化环境，如农业、医疗保健或家庭服务，其中触觉反馈有助于缩小差距。