机械臂快被科学家玩坏了。|机械臂也能丝滑？东京大学动态跟踪自动夹持，响应时间不到1毫秒

机械臂快被科学家玩坏了。
用一包薯片逗逗机械臂，你别说，动作还挺“丝滑”：

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在它面前放一个纸板，不仅能够迅速识别，还玩起了“你逃我追”的游戏；

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再来抓一个气球试试：

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自动根据物体形状调整抓取方式，力道也很轻柔，气球完全没有因此受到挤压。

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这是日本东京大学开发的一款能够自主跟踪物体和夹持的机械臂，虽然目前自动机械臂已经很常见，但大多数使用视觉传感器来规划抓取位置，并使用触觉传感器来检测与物体的实际接触。
然而，视觉传感器存在测量位置误差和遮挡的问题，触觉传感器在与该物体接触之前无法检测到该物体。这些问题导致了物体位置信息的不确定性，而这种不确定性使得物体难以进行高速、可靠的抓取。

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为了改进这种不确定性，东京大学开发的机械臂使用了高速接近式传感器，可以在1毫秒内准确测量物体的位置，进行高速跟踪和抓取，同时非接触的测量方式不会破坏物体。

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▍不到1毫秒高速响应
首先来介绍一下什么是接近式传感器。
这是一种短距离传感器，可在深度方向上扩展触觉感应，它包括很多种类型，例如光学、声音以及静电电容等，和其他两种传感器相比，光学传感器的体积小、阵列的指向性设计也更容易。

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然而，它也有个bug ，普通的光学传感器拿黑色或透明的物体没办法，而且如果传感器表面变脏，会影响测量精度。为此，研究人员提出了一种电阻网络结构接近传感器（RNSPS））和使用主动传感在1ms内测量位置的反射率估计方法。

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这是一个3×3的探测器矩阵，每个探测器都是一个光反射器，由一个LED和一个光电晶体管组成，光电流根据到物体表面的距离流过每个探测器，并且在电阻网络中发生电流分布，当有来自物体表面的反射光且反射率分布均匀时，传感器可以检测到物体表面的倾斜度和距离。

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大多数市售接近传感器的测量时间约为7到100毫秒，这个测量时间对于高速反应抓取来说太长了，而电阻网络结构接近传感器采用了模拟电路，输出响应时间很快（<1ms）。

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▍手、臂一体化控制
传感器的距离与倾斜监测只是其中之一，接下来就是要让输出信号用于机械臂的控制。
机械臂由指尖和手臂组成，为了实现快速响应和柔顺抓取，研究人员建立了指尖控制方程，指尖的控制由关节角度表示，接近式传感器的输出作为指尖与物体表面保持的目标值，每个关节角度由PID控制独立控制。

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在手臂控制器中，根据传感器输出和控制器确定的手部临时关节角度来控制6自由度位置和姿势，指尖和手臂可以移动到合适的抓握位置，由于两个控制器并行执行，抓握形式可以根据被抓物体的形状同时调整，并且可在0.18秒内高速校正指尖与物体表面的姿态和距离误差。