機械人僅憑“手感”判斷番茄成熟度

機械人僅憑“手感”判斷番茄成熟度

多 姿

觸覺——接近覺雙模光電感測器展示

機械人僅憑“手感”判斷番茄成熟度

伴隨着技術日新月異，機械人產業加快提“智”向新。現在，機械手正在習得這種人類經驗。它所依賴的，是一款特製的“電子皮膚”。中國科學院自動化研究所研究團隊日前研發了一款“觸覺——接近覺”雙模光電感測器，並提出一套通用的“接近——觸覺伺服控制框架”，為下一代機械人提供了這種“皮膚感知”能力。

研究人員指出，在人機交互和智能操作任務中，觸覺與接近覺（非接觸式感知）至關重要。機械人不僅需要“能看”，更需要“可摸”和“可感”。然而，目前大部分機械人感測器只能實現“碰到才知”（純觸覺），或者只能“遠遠看着”（純接近覺）。有些雙模感測器雖然試圖兼顧兩者，卻常常面臨體積龐大、易受環境干擾、不同感知模式互相串擾等問題。更進一步地，很多設計無法在同一個器件內獨立、穩定地運行兩種感知模式，導致機械人在複雜任務中“手忙腳亂”。

為解決以上難題，研究團隊另闢蹊徑，全部採用光電原理研發了該款觸覺—接近覺雙模光電感測器，通過兩種不同結構實現雙模感知。其中，觸覺靠“可變光路”，即外力使柔性蓋板下壓，遮擋紅外光路，光強變化轉化為壓力信號；接近覺靠“表面反光”，發射紅外光並接收物體反射光，通過光強判斷距離和表面屬性（如顏色、光滑度）。兩種感知模式互不干擾，可以同時有序運行。並且，這款光電感測器靈敏度高，穩定性好，結構輕薄（厚度僅四毫米），可輕鬆安裝在機械臂末端或夾爪上。

為了讓機械人用好該感測器，研究團隊還基於多種觸覺特徵與接近特徵，首次提出“接近—觸覺伺服控制框架”，讓機械人能靈活切換純觸覺、純接近覺、雙覺混合三種模式。有了這款感測器以及伺服控制框架，團隊開展了機械人僅憑“手感”對番茄成熟度判斷的實驗。

實驗中，研究人員將兩個雙模感測器分別嵌入機械臂夾爪的兩側。當機械臂緩緩閉合抓取番茄時，整個過程被劃分為兩個階段。第一是接近階段（非接觸），在夾抓尚未觸碰到番茄時，感測器通過紅外光的表面反射強度，即時感知果皮的顏色深淺、光滑度與曲率。反射信號越強，表示番茄表皮更紅、更亮，反射信號弱，則表示番茄偏綠或偏硬。此外，它還能根據中心與邊緣感測器的反射差異，判斷果形的圓潤度；第二階段為接觸階段（輕觸抓取），當夾爪與番茄接觸時，柔性蓋板受壓變形，觸覺單元立即記錄壓力分佈圖。熟透的番茄質地柔軟，受壓後接觸面積大、壓力分散均勻；而生番茄則堅硬緊實，壓力集中在少數幾個點上，分佈更集中、峰值更高。

研究團隊指出，基於兩階段採集的時序多模態數據，研究人員設計了一個名為“TPNet”的深度學習模型，輸出四類成熟度判斷：未熟、半熟、成熟、過熟。實驗結果顯示，該模型的成功率達到百分之九十四點四。此外，系統還能捕捉番茄兩側成熟度不一致的罕見情況（即“陰陽果”），進一步提升了判斷的效率。

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