在机器人电影里,即使拥有最先进的类人伪装,机器也很可能在“端起一个纸杯”时被识破,没有触觉的假手臂难以通过细微的反馈做出判断、控制力道,经常一抓就扁露了馅。但在东南大学仪器科学与工程学院院长宋爱国的实验室里,一款“新型肌电假手”却能让机器人拥有一双“灵巧手”,根据肌电信号完成手部的18个动作识别。

“我们在机械手的指端装上触觉传感器、指根装入力传感器,在人体的肌肉群表面穿戴肌电传感器……”在研究中,宋爱国的团队还将人体内最复杂的大脑“邀请”进来,脑电波通过脊髓神经传递给肌肉,发出肌电信号。在大量研究的基础上,研究团队拥有了一个珍贵的“库”,包含了人体内肌电信号的主要“密码”特征。掌握了“密码”,和肌肉“对话”成为可能。假手受到的外部触觉刺激如果转化为神经输入的电信号,进而进入大脑中,就能够让大脑产生触觉感知,明白假手与外部环境的接触状态,真正将假手当作自身的一部分。“我们发现大脑还可以被训练,多次的反馈矫正能够帮大脑作出适应性改变。”宋爱国说。

“新型肌电假手”只是宋爱国实验室里所研发出机器人产品的一种服务型机器人,从天上飞的航空航天机器人,核辐射和爆炸威胁环境下工作的核化探测、核电巡检、防恐排爆机器人,宜室宜家的助老助残康复机器人……宋爱国研发的这几款机器人,都已经走出了实验室,全部进入产业应用阶段。

宋爱国告诉记者,这些机器人并不是要完全取代人,而是实现人与机器人的深度耦合。早在1993年3月,宋爱国的导师黄惟一教授将“863”计划项目“力觉临场感机器人基础研究”的内容作为他的博士课题。

“临场感机器人”就是一种先进的人机交互遥操作机器人,通俗地说,机器人工作在远端,人在本地,通过各种传感设备测量人肢体的运动信息并作为控制指令去控制机器人的运动与操作,人怎么动,机器人就怎么动;同时,再将机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉反馈给人,使人产生远在异地的“身临其境”的感受,就像电影《阿凡达》描写的一样。

宋爱国作为第一完成人的《人机交互遥操作机器人的力觉感知与反馈技术》项目一直受到“863”项目的支持,并获得2018年度国家技术发明二等奖。经过20余年的基础研究和技术攻关,项目组先后研制成功高精度的机器人六维力传感器、仿生柔性触觉传感器、小型化的力反馈执行器、高精度大空间六自由度力反馈手控器、力触觉感知数据手套等人机交互遥操作机器人核心元件或装置以及四种类型的遥操作移动机器人系统,并在我国载人航天与探月工程、核电工程等重要领域得到应用。

比如宋爱国团队为“天宫二号”研制了航天员在轨操作力的测量传感器以及测量系统,人在失重环境下肌肉到底能产出多大的力?之前只有美国和俄罗斯有这个数据。这套测量装置主要用于完成“天宫二号”一系列飞行任务,即航天员在轨各种操作力的测量、人机工效学和生物力学实验,如开舱门推拉力、操纵杆操作力以及脚蹬力等。航天员在规定时间内完成不同动作后,仪器会显示航天员施力的大小。最终对空间站内航天员13种操作力、36种操作方式进行精确的力测量。

“遥操作”是月面巡视机器人(月球车)的四大关键技术之一,受航天五院和通讯与跟踪研究所的委托,宋爱国团队还负责研制了两套地面模拟实验月面巡视机器人,主要研究月球车的遥操作控制算法和环境识别的感知系统,在“嫦娥三号月面巡视器”工程任务中立下汗马功劳。 宗禾

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