基于触觉滚动指尖信息的双手电缆布线DLO形状建模与操控方法

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Tactile rolling fingertip-informed DLO shape modeling and manipulation method for bimanual cable routing

　　

陶勇|高赫|任帆|陈一贤|冯远宝|傅伟奇|郑佩|冷杰武|魏红星

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  具有触觉滚动功能的指尖可实现闭环式指尖感知，从而在狭小空间内实现可控的变形物体操控。
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  一种基于滚动约束的质量弹簧模型结合了局部相互作用动力学，可更精准地预测变形物体的变形情况。
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  所提出的方法提升了操作过程中变形预测的准确度与物理一致性。

引言

随着智能制造的发展，机器人系统越来越需要具备更高的智能水平与灵巧的操作能力[[1], [2], [3]]。在此背景下，研究人员逐渐将注意力集中在高度灵活的双臂机器人系统上，这类系统能够在复杂的产品制造任务中实现精准操作[[4], [5], [6]]。在航空航天和电动汽车行业的复杂制造与装配流程中，可变形线性物体极为常见。这类物体具有柔顺的几何结构、高自由度以及复杂的接触特性，因此其自动化操控难度较大。正因如此，这类任务至今仍主要依赖人工操作[[7], [8], [9], [10]]。若能实现变形物体的自动化操控，有望提升作业效率、减少人力需求，并确保作业质量更加稳定。不过，尤其是在动态且空间受限的环境中，要精准预测变形物体的变形情况仍是一项艰巨挑战。这些因素为变形物体的自动化操控带来了诸多障碍[[11], [12], [13]]。因此，如何实现精准的变形物体形状建模与可控操控，同时保障安全与效率，已成为亟待解决的研究问题[[14], [15], [16]]。

目前关于变形物体的研究主要集中在物理建模与状态估计方面。在物理建模方面，质量-弹簧系统与离散弹性杆模型被广泛采用。这类模型在预测变形物体的弯曲与扭转行为时具有较高的计算效率[[17], [18], [19]]。在状态估计方面，人们通常借助基于视觉的方法，通过RGB图像与点云数据来重建变形物体的几何结构与拓扑形态[[20], [21], [22], [23]]。此外，也有研究致力于变形物体的运动规划与控制，相关研究探讨了适用于电缆布线、打结等典型变形物体操作任务的基于采样规划的强化学习方法[[24], [25], [26], [27]]。

尽管在理论与实验层面已取得不少进展，现有的变形物体机器人操控方法仍存在若干关键缺陷。在复杂的、无规则结构的电缆布线任务中，这些缺陷尤为突出。首先，大多数现有方法严重依赖外部感知手段，常见的有图像与点云数据。而在实际的工业环境中，电缆布线往往在极其狭窄的空间中进行，这类空间包括卫星舱体、汽车门模块、发动机舱以及仪表板等。在这样的环境中，机械臂或电缆本身常常会导致严重的遮挡现象，且照明条件也差异极大。一旦出现遮挡或视觉特征丢失，基于视觉的控制系统性能会迅速下降，进而无法稳定运行[28,29]。其次，在操控策略层面，以往的研究多考虑全局或局部的变形物体变形情况，但大多数方法都假设抓取姿态是固定的。

具体而言，这类方法假定变形物体末端相对于夹持器的姿态是恒定的，仅通过调整末端执行器的运动来实现形状调控。这种假设忽略了手部与物体之间的细微交互作用，也无法明确描述手指与物体的相对运动是如何动态影响变形物体形状变化的[30,31]。相比之下，经验丰富的人类操作者在布线作业时常常会运用手指的滚动与滑动动作，这些动作能够调节电缆的有效长度与局部结构。而这种用于闭环控制的灵巧手部操控能力，仍是当前机器人系统所欠缺的关键功能。最后，触觉感知在闭环变形物体操控中的应用潜力尚未得到充分挖掘。现有的多模态感知方法大多以视觉为主，触觉感知仅被用作辅助反馈，用于检测接触情况或防止轻微滑动。目前仍缺乏一个能够将触觉感知与建模、预测功能相结合的可重复、可解释的框架[32]。尤其是从触觉信号中提取高维的接触力与姿态信息颇具难度，将这些信息直接纳入动态预测模型也仍是尚未解决的问题。

为了解决在空间受限的电缆布线场景中实现可控变形物体变形的问题，本文提出了一种基于触觉滚动指尖的双手电缆布线用变形物体形状建模与操控方法。该方法借鉴了人类双手的灵巧操控方式，将感知功能与执行功能紧密集成到灵巧手及其指尖模块中。通过主动调节手部与物体的接触状态，可实现精细的变形物体形状调控。首先，本文设计出了触觉滚动指尖装置，该装置在滚动接触面上嵌入了基于视觉的触觉传感器，从而能够在大范围滚动接触的情况下实现可控的电缆推进以及手部与物体局部姿态的估算。接着，通过引入触觉滚动指尖的推进运动以及手部与物体局部姿态变量，对原有的质量-弹簧变形物体模型进行了改进。这些变量能够明确体现指尖接触姿态与滚动推进运动是如何影响内部应力传递以及整体变形物体形状变化的。基于改进后的模型，本文进一步提出了一种基于触觉滚动指尖的双手电缆布线用变形物体形状建模与操控方法。在该方法中，变形物体的形状可以在手部与物体边界条件不断变化的情况下被预测，而不必假设抓取姿态是固定的。

本文提出的框架通过电缆抓取、手部姿态估算、可控变形以及双手布线实验进行了验证。实验结果表明，触觉滚动指尖装置能够提供准确的局部姿态反馈，而基于推进姿态条件的模型则提升了变形物体形状预测的精度。进一步的实验也证明了该框架在空间受限的电缆布线任务中的可行性。

本文的主要贡献如下：

• 1)
  本文设计出一种用于变形物体操控的触觉滚动指尖装置。该装置将可控的滚动驱动功能与基于视觉的触觉感知功能相结合，能够在滚动接触的情况下实现电缆的推进以及手部与物体局部姿态的估算。
• 2)
  本文提出了一种基于推进姿态条件的质量-弹簧变形物体模型，用于预测变形物体的形状。该模型将触觉滚动指尖的推进运动以及手部与物体局部姿态变量纳入变形边界条件中，从而提升了变形物体操控过程中变形预测的物理一致性。
• 3)
  本文实现并评估了一种双手电缆布线框架，同时还通过消融实验分析了推进运动与局部姿态变量所带来的影响。现实环境下的布线实验进一步验证了该方法在空间受限的布线场景中的可行性。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾相关研究内容；第3节详细阐述所提出的方法，包括（1）触觉滚动指尖的设计、集成与状态估算算法，以及（2）基于推进姿态条件的变形物体形状建模与操控方法；第4节汇报实验结果；最后，第5节对全文进行总结并探讨未来的研究方向。

章节要点

灵巧末端执行器设计

在工业机器人、家用服务机器人以及用于特殊任务的机器人中，电缆布线、线束整理、衣物折叠等操作对机器人末端执行器提出了不同的设计要求。在电缆布线应用中，末端执行器多采用刚性抓取机构，比如双指夹持器与吸盘式工具，这类机构主要用于抓取、定位以及跟随变形物体移动的操作[[33], [34], [35]]。

概述

本节介绍了本文所提出的基于触觉滚动指尖的变形物体操控方法的整体框架，如图1所示。该框架由三个模块组成，分别是触觉滚动指尖的感知与执行功能、基于推进姿态条件的变形物体建模功能，以及基于优化算法的形状预测功能。通过将指尖的滚动交互功能与基于改进模型的形状预测功能相结合，该框架能够在双手电缆布线作业中实现稳定的引导与形状生成。

实验设置

基于上述的集成硬件架构、物理模型与算法，本文开发了一个用于验证变形物体操控功能的交互式系统。该系统可作为平台，用于测试多指灵巧操控、可控变形物体变形以及电缆布线流程的可行性。本节将介绍该系统的实验设置，随后会开展一系列关于手部操控以及双手变形物体形状操控的实验，这些实验旨在评估相关方法的有效性。

结论

本文提出了一种基于触觉滚动指尖的双手电缆布线用变形物体形状建模与操控方法。该方法设计出了具备滚动推进功能的触觉滚动指尖，从而实现了大范围的触觉感知以及连续的手部与物体姿态估算功能。此外，本文还通过明确纳入指尖推进运动与手部与物体姿态变量，进一步改进了变形物体变形模型。本文通过仿真实验与消融实验对该方法进行了评估。

CRediT作者贡献说明

陶勇：撰写——审稿与编辑、指导、项目管理、方法论、概念构思。高赫：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件开发、方法论、概念构思。任帆：撰写——审稿与编辑、指导、项目管理、方法论。陈一贤：验证、软件开发、资源协调、形式化分析。冯远宝：撰写——初稿、验证、方法论、研究分析。傅伟奇：可视化展示、验证、软件开发。