腕力和觸覺對機器人操作任務的影響

隨著機器人技術的不斷發展，將來機器人會更好融入我們日常生活。目前機器人在工業環境中，它們的動作可以通過程序化來實現高性能；而在非結構化環境(如家庭、辦公室和醫院)中的操作仍是個挑戰性問題。機器學習的進步極大地改善了現實環境中的操作，然而即使是大規模機器人訓練抓取係統（在兩個月內收集了80萬次抓取嚐試的數據集上進行訓練）也有17.5%的失敗率[1]。當機器人在不確定環境中操作時，能夠檢測到它們是否成功地完成了操作任務是至關重要的。近年在IEEEWorld Haptics Conference上發表了Effectsof Force-Torque and Tactile Haptic Modalities on Classifying the Success of Robot Manipulation Tasks論文，通過研究找出一種觸覺感知模式最適合機器人對其任務性能進行分類。

我們知道觸覺感知在提高自主機器人[2][3]的操作能力方麵是至關重要。觸覺感知一般包括力-力矩和觸覺兩種方式：力-力矩傳感器通常安裝在機器人的手腕上，可以用來測量施加在機器人手上的總力和力矩；觸覺傳感器通常安裝在機器人的指尖或更大的區域作為“皮膚”，測量機器人和環境之間的局部相互作用[4][6]。觸覺感知包括接觸、壓力、溫度、局部力、變形[5]-[7]的高頻振動。多種觸覺感知模式可以一起使用，以提高實時操作控製器[8][9]的性能。觸覺感知的多種模式也可以用於操作性能的離線分類方法，比如識別一個物體何時滑過機器人的手[10]並確定被操縱對象[11][12]的屬性。Bekiroglu等人將來自觸覺指尖傳感器的數據與機器人手的配置信息和物體的先驗知識相結合，自動評估抓取的穩定性[13]。

該文利用了Chu等人開發的任務完成分類方法。在他們的工作中，Chu等人在機器人試圖完成幾項操作任務時，記錄了一個安裝在腕上的力傳感器的數據。然後，他們為每個操作任務訓練了兩個隱馬爾科夫模型[14]，一個用於成功完成任務的機器人，另一個用於未能完成任務的機器人。作為他們工作的一部分，Chu等人使用這些模型將每個任務之前未見過的嚐試的四個實例劃分為成功或不成功，對於某些任務，這種方法可以得到完美的分類，然而，對於其他任務，比如用杯子舀意大利麵，該方法的分類精度為50%[15]。

為了研究哪種觸覺模式或模式組合最適合對任務完成進行分類，文中反複嚐試用三對指尖傳感器中的每一個來完成兩項任務。將每個試驗貼上“成功”或“不成功”的標簽，在使用了Chu等人開發的任務完成分類方法之後，使用從指尖和力-力矩傳感器提取的不同特征組合訓練了兩對隱馬爾科夫模型，經過訓練的隱馬爾可夫模型被用來將以前未見過的試驗分為“成功”和“不成功”。機器人反複完成兩個動作：拾取任務和挖掘任務，拾取作業過程機器人的運動軌跡如圖2所示。在這個任務中，機器人從物體上方開始，打開它的末端夾持器，向下移動，使物體在夾持器的手指之間，合上夾持器，然後返回到起始位置。操縱的對象是一個軟牆門，這是一個半球體製成的柔性聚合物，之所以選擇這個對象，是因為它很難被拾取，從而確保了成功和失敗的拾取嚐試之間的良好平衡。如果機器人沒有撿起物體，或者在返回起始位置之前將物體掉落，則視為失敗。第二個任務是挖掘任務，它是模仿Chu等人設計的任務之一。在這個任務中，機器人拿著一個勺子，沿著預先設定的軌道移動，從一個盒子裏舀意大利麵，如圖2所示。在這個任務中，機器人用一個夾爪抓住鏟子，然而當機器人足夠用力地抓住鏟子時，NumaTac和BioTac的壓力讀數都飽和了，這樣它就不會在機器人的手上繞著連接機器人兩根手指的軸旋轉。為了解決這個問題，我們在機器人的手上加了一個“第三根手指”來穩定鏟子，可能出現的故障類型有：（1）鏟子撞到箱底，機器人的關節承受了過大的扭矩，導致緊急停車；（2）鏟子在機器人手中滑動；（3）不舀意大利麵，失敗是由機器人手中鏟子的位置和盒子裏意大利麵分布的變化引起的。

通過結果分析發現拾取任務的分類性能通常優於挖掘任務的分類性能，可能這是由於拾取任務的失敗模式(拾取失敗或掉落)比挖掘任務的不同失敗模式(機器人攤牌、鏟鬥滑落、機器人無法鏟起意大利麵)產生更多相似的觸覺特征。選擇任務的分類性能也可能更高，這是因為在這個任務中，機器人的手直接操作任務對象，而在挖掘任務中，機器人使用手持工具(鏟子)來拿起意大利麵。

研究者們未來將采用不同的機器學習分類技術是否能更好的幫助機器人判斷自己是否完成了任務。同時計劃研究僅使用部分任務軌跡的分類性能，使機器人能夠識別正在進行的任務何時可能失敗並糾正其動作，並將在更廣泛的任務集上驗證。

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