輕觸：嵌入式光學傳感器可以使機器人手更加靈巧

據卡內基梅隆大學的研究人員稱，光學傳感器可能非常適合用于機器人手中，他們開發了一種帶有多個嵌入式光纖傳感器的三指軟機器人手。他們還創造了一種新型的可拉伸光學傳感器。

通過使用光纖，研究人員能夠將14個應變傳感器嵌入機器人手中的每個手指中，使其能夠確定其指尖接觸的位置并檢測小于十分之一牛頓的力。新的可拉伸光學傳感材料，未包含在此版本的手中，可能可用于柔軟的機器人皮膚，以提供更多的反饋。

“如果你想讓機器人自主工作并對日常環境中的意外力量做出安全反應，你需要的機器人手上的傳感器比現在更常見，”機器人助理教授Yong-Lae Park說。“人體皮膚只有指尖上有成千上萬的觸覺感應單位，每條腿上有一個蜘蛛有數百個機械感受器，但即使是最先進的人形機器人，如NASA的Robonaut手上和手腕也只有42個傳感器。”

添加傳統的壓力傳感器或力傳感器是有問題的，因為布線可能復雜，易于斷裂并且易受電動機和其他電磁裝置的干擾。但是單根光纖可以包含多個傳感器; Park說，CMU手的每個手指中的所有傳感器都連接有四根光纖，但理論上，單根光纖可以完成這項工作。并且光學傳感器不受電磁干擾。

卡內基梅隆研究人員將與智能光纖系統公司的研究人員共同開發機器人手，并于9月29日在德國漢堡舉行的IEEE國際智能機器人和系統會議上獲得NASA的支持。有關高度可拉伸光學傳感器的報告將于10月1日在同一會議上發布。

工業機器人，在人們不冒險的受控環境中工作，只需要有限的傳感器就能夠進行極其精確的操作。但是，隨著CMU和其他地方的機器人專家開發能夠與人類進行常規和安全互動的軟機器人，對觸覺和力感應的關注日益增加，Park說。

機器人手上的每個手指模仿人手指的骨架結構，指尖，中間節點和基節點通過關節連接。骨骼“骨頭”是3D打印的硬塑料，并包含八個傳感器用于檢測力。三個部分中的每一個都覆蓋有柔軟的硅橡膠外殼，其中嵌有總共六個傳感器，用于檢測接觸的位置。單個活動肌腱用于彎曲手指，而被動彈性肌腱提供反向力以伸直手指。

該手由機械工程學生Leo Jiang和Kevin Low開發，采用市售的光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，通過測量光纖反射光的波長來檢測應變。

Park公司指出，盡管傳統的光學傳感器具有優勢，但它們的伸展性并不高 - 玻璃纖維幾乎不伸展，甚至聚合物纖維的拉伸也只有20-25%。這是諸如手的設備中的限制因素，其中廣泛的運動是必要的。Park先前開發了高度可拉伸的微流體軟傳感器 - 通過液體導體填充通道測量應變的膜 - 但是它們很難制造，并且如果液體泄漏會導致混亂。

因此，Park與來自CMU的機械工程專業學生Celeste To和來自德克薩斯大學的Tess Lee Hellebrekers合作，發明了一種高度可伸縮且靈活的光學傳感器，使用了市售的硅橡膠。這些軟波導內襯有反光金; 隨著硅樹脂的拉伸，在反射層中產生裂縫，使光線逸出。通過測量光的損失，研究人員能夠計算應變或其他變形。

Park表示，這種柔性光學傳感器可以整合到柔軟的皮膚中。這樣的皮膚不僅能夠檢測接觸，如CMU手中的軟部件的情況，還能測量力。