10美元破解機(jī)器人觸覺難題！斯坦福開源方案讓機(jī)械手擁有人類手感

數(shù)據(jù)是具身智能的燃料。然而生活中隨處會(huì)用到的力信息的采集，卻是現(xiàn)有諸多大規(guī)模數(shù)采系統(tǒng)普遍面臨的一大難點(diǎn)。傳統(tǒng)的力傳感器（Force-torque sensor）昂貴，沉重且脆弱，動(dòng)輒上萬元成本的設(shè)備在遇到?jīng)_擊時(shí)極易永久損壞；更靈活的觸覺傳感器（Tactile Sensor）仍不成熟，短暫的使用壽命和校準(zhǔn)的困難都極大限制了其應(yīng)用規(guī)模。

為了解決力反饋的難題，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了名為 UMI-FT 的系統(tǒng)，他們在手持式數(shù)采設(shè)備 UMI 的每個(gè)手指上安裝了一個(gè)硬幣大小的六維力覺傳感器 -- CoinFT。它能感知到每個(gè)手指受到的全部六個(gè)方向的力和力矩。這個(gè)傳感器只有 2 克重，當(dāng)機(jī)器人拿著燈泡去找插座的時(shí)候，它能實(shí)時(shí)感受到自己手指所受到的所有力，輕了它就加把勁，重了它就松一點(diǎn)，幾乎能夠像人手一樣細(xì)膩。CoinFT 能夠像傳統(tǒng)工業(yè)力傳感器一樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)，并且能夠安全承受很大的沖擊力而不損壞。

（來源：https://arxiv.org/abs/2601.09988）

論文作者侯一凡告訴 DeepTech，這套方案的意義在于讓帶力反饋的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集變得容易實(shí)現(xiàn)。以前的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集基本只記錄位置信息和視覺信息，力覺因?yàn)槌杀竞图夹g(shù)難度很難規(guī)模化。UMI-FT 提供了一個(gè)低成本、高一致性、可規(guī)模化的力覺數(shù)據(jù)采集方案，為訓(xùn)練具備柔順操作能力的機(jī)器人策略鋪平了道路。

這個(gè)系統(tǒng)的核心是一個(gè)叫做 CoinFT 的微型傳感器，直徑 20 毫米，厚度只有 3 毫米。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由幾層帶橢圓支柱的介電材料組成，受到壓力時(shí)電容會(huì)發(fā)生變化。還有一個(gè)五層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把這些電容值換算成為力和力矩，校準(zhǔn)后的精度非常高，力的誤差在 0.15 到 0.58 牛之間，力矩誤差在 17 到 231 毫牛米之間。相比之下，傳統(tǒng)工業(yè)使用的六軸力覺傳感器又大又貴，一個(gè)就要幾萬塊錢，而且特別嬌氣一不小心就會(huì)被摔壞。而 CoinFT 成本只有 10 美元，既耐摔又耐撞。

（來源：https://arxiv.org/abs/2601.09988）

而前面提到的 UMI-FT 系統(tǒng)不僅是增加了傳感器，還把蘋果手機(jī)綁在了機(jī)器人的手上。手機(jī)負(fù)責(zé)提供 RGB 攝像頭、超廣角攝像頭、深度攝像頭和姿態(tài)數(shù)據(jù)，刷新率從 10 到 60 赫茲不等。指尖的力覺傳感器以 360 赫茲的速度進(jìn)行超快采樣，所有數(shù)據(jù)都會(huì)被記錄下來。訓(xùn)練時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)采集了 200 到 630 組不等的人類演示數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都包含了圖像、深度、姿態(tài)和每個(gè)手指的六維力覺信息。然后，他們使用這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練了一個(gè)自適應(yīng)柔順策略模型（ACP）。這個(gè)模型會(huì)輸出機(jī)器人的目標(biāo)位置、虛擬目標(biāo)位置、剛度矩陣、抓握力和夾爪寬度。底層有兩個(gè)控制器在同時(shí)工作，腕部柔順控制器根據(jù)兩個(gè)手指傳來的力和力矩，調(diào)整機(jī)器人手臂的位置和姿態(tài)，抓握力控制器則負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)手指夾緊的力度。

（來源：https://arxiv.org/abs/2601.09988）

在潛在應(yīng)用場景上：在工廠里，機(jī)器人可以插拔精密的電子連接器，或者裝配帶有卡扣的塑料件；在醫(yī)療領(lǐng)域，手術(shù)機(jī)器人可以感知縫合傷口時(shí)手術(shù)針刺穿組織的阻力變化，操作更加安全；在家庭服務(wù)中，機(jī)器人可以幫你擰開瓶蓋、打雞蛋和擦桌子。

（來源：https://arxiv.org/abs/2601.09988）

總的來說，本次成果等于給機(jī)器人裝上了一層皮膚，讓機(jī)器人擁有了觸覺，讓它能夠感知自己用了多大力氣，以及外界給了它多少的反作用力。目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把這套系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件代碼全部開源。任何實(shí)驗(yàn)室或者機(jī)器人愛好者，都可以用幾千塊的成本復(fù)制一套用來訓(xùn)練自己的機(jī)器人。

參考資料：

相關(guān)論文https://arxiv.org/abs/2601.09988

倉庫https://umi-ft.github.io/

排版：胡莉花