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機器之心編輯部
人類善於利用手指觸覺來感知物體的物理特性（包括質量、重心、轉動慣量、表面摩擦等），從而完成高難度的控制任務。在不遠的將來，機器人也會擁有觸覺分析能力。在剛剛結束的機器人頂會 IROS 2020 上，上海交大 & MIT 聯合項目 SwingBot 為我們展示了如何讓機器人通過觸覺傳感器來學習感知物體複雜的物理特性（tactile exploration），從而完成一個高難度的甩筆任務（in-hand object swing-up）。該工作也摘得此次大會的最佳論文獎項。
IROS2020 最佳論文獎項。來源 iros2020.org (http://iros2020.org/)
下圖為機器人觸覺分析的流程通過握著物體旋轉一定角度和抖動物體來感知物理特性，從而推斷出最佳的控制策略實現甩筆。
該項目通過對多種觸覺探索動作的信息融合，讓機器人端到端的去學習概括手中物體的物理特性，並依靠這個物理特徵來實現高難度的手上控制任務（in-hand swing-up）。更多的詳細內容可以訪問論文原文和項目主頁：
論文連結：http://gelsight.csail.mit.edu/swingbot/IROS2020_SwingBot.pdf
項目地址：http://gelsight.csail.mit.edu/swingbot/
高精度、低成本的觸覺傳感器
研究人員使用的是一款名為 GelSight 的機器人觸覺傳感器，該傳感器也發明於此 MIT 項目組（指導教授：Edward Adelson）。區別於傳統觸覺傳感器依賴於稀疏的電極陣列（基於電阻 / 電容 ），GelSight 是一個基於光學的觸覺傳感器，通過一個微型相機來拍攝接觸面的三維幾何形變，可以返回高精度的觸覺信息（見下圖是 GelSight 重建的奧利奧餅乾表面）。
更值得一提的是，因為只需要一個低成本的微型攝像頭和一個樹莓派控制器，GelSight 的製作總成本只有 100 美金（700 元），遠低於市面上的其他觸覺傳感器。
GelSight 觸覺信息效果圖。來源：[2]
在本篇工作中，研究人員將 GelSight 安裝在了機器人二爪夾具的一側，通過在傳感器上標定靶點和重建三維信息，高密度的力學反饋可以以每秒 60 幀的速度實時傳輸出來。
基於多種觸覺探索動作的物理特性分析能力
人類可以通過多種觸覺探索動作（觸摸、甩、掂量）來概括手上物體的物理特性（重量、光滑程度、重心位置等）[1]，而且人類並不需要測量這些物理參數的精確數值，而是用自己的經驗結合觸覺手感來實現對手中物體高難度的控制。
受這個觀察的啟發，該項目的研究人員首先提出了一個多觸覺探索的信息融合模型（Information fusion model for multiple tactile exploration actions），該模型的目的是整合不同的機器人觸覺探索動作信息到一個共同的物理特性特徵空間（Physical embedding）中，從而實現對物體多種物理特性（質量、重心位置、轉動慣量和摩擦力）的概括能力。
多觸覺探索動作的信息融合模型。來源：論文
研究人員為機器人設計了兩種基礎的探索動作：（1）緊握物體並旋轉一定角度（in-hand tilting）和（2）放鬆緊握狀態並抖動物體（in-hand shaking）。動作（1）的觸覺反饋信息會通過一個卷積神經網絡（CNN）來輸出一個一維的特徵向量；動作（2）的抖動因為是時序信息，會用一個循環神經網絡（RNN）來處理獲得相應的特徵。這兩個特徵信息通過拼接和一個由若干多層感知器（MLP）組成的融合模型進行整合，得到一個低維的物理特徵概括（physical feature embedding）。
區別於逐個測量每種不同的物理特性，這種信息整合模型的一大優勢是可以根據任務來自主調節對不同物理信息的關注程度，因為很多任務是無法明確分析出是哪一種物理特性起到了主導作用，而使用該方法可以讓機器人自主地學習並選擇需要的物理信息。此外，這兩個觸覺探索動作加起來只需要 7 秒的時間，相比於用精密的儀器來逐個測量物體的質量和摩擦力等，該方法的效率也有很大的提升，並且不需要額外的測量儀器的輔助，更接近人類的觸覺感知能力。
此外，為了讓機器人自主學習選擇最需要的物理信息，研究人員接著提出了一個控制預測模型，該模型通過輸入先前獲得的物理特徵向量和機器人控制參數，來預測最終物體會被甩到的角度。在訓練過程中，整個流程是用一個端到端（end-to-end）的訓練算法來實現的。研究人員設計了一個機器人自動採集數據的系統，並且 3D 列印了可以隨意調節物理特性的模型來採集數據，具體如下兩個動圖所示：
可變物理特性的模板物體。
數據收集流程。
研究人員讓機器人自主採集了 1350 次甩筆的數據，其中包含了 27 個不同物理特性的物體。在測試的時候，研究人員額外選擇了 6 個訓練數據中不包含（unseen）的新物體，機器人需要通過觸覺探索模型來確定未知物體的物理特性，並根據任務要求的最終甩到的角度，來選擇一套成功率最高的控制參數。
實驗成果
研究人員首先對比了使用和不使用多觸覺探索融合算法對預測控制模型準確率的影響（數值越低，準確度越高），其中融合算法（Comb.）在已知和未知物體上的預測誤差率都遠低於不使用觸覺信息（None）。此外融合算法（Comb.）的表現也比單一使用一種觸覺探索動作（Tilt.: tilting-only, Shak.:shaking-only）的算法效果好。
以下是機器人在測試過程中，通過使用多觸覺探索融合算法來實現對未知物體（unseen objects）的物理特性探索和上甩效果（swing-up）。第一個任務要求將物體上甩至相對於傳感器 90 度的角度位置：
第二個任務要求將物體上甩至相對於傳感器 180 度的位置：
研究人員緊接著探索融合算法學習到的物理特徵空間到底包含哪些信息。他們用一組額外的多層感知器來回歸（regression）每一個物理特性的具體參數，並計算誤差百分比（數值越低，準確度越高）。
如下表所示，可以發現第一個旋轉動作（Tilting）對物體的質量（Mass）、重心（Center of mass）和轉動慣量（Moment of inertia）的信息捕捉更準確。而第二個搖晃動作（Shaking）對物體接觸部分的摩擦力（Friction）的把握更準。將兩種探索動作融合的算法（Combined）取得了最好的回歸準確率。
最後研究人員進一步探索所學習到的物理特徵空間是如何能夠做到對未知物體依然適用的。他們可視化了 6 個未知物體的數據分布並展示在了下圖 (b) 中，其中 x 軸表示控制參數，y 軸表示最終上甩的角度。在圖 (a) 中，研究人員用 PCA 提取了每個採樣中網絡輸出的物理特徵向量的主成分（2 維）並可視化在這個二維點圖中。觀察可以發現，如果兩個物體的控制策略相近（例如物體 5 和物體 6），他們的物理特徵間距也會越近，而兩個物體的控制策略相差較大（例如物體 1 和物體 4），則在特徵空間上的間距也會更大。
物理特徵可視化。來源：論文
作者介紹
本項目的共同第一作者是：
王辰（Chen Wang）: 本科畢業於上海交通大學，師從盧策吾教授。他即將前往 Stanford 攻讀計算機博士學位，該項目是其在 MIT 暑研期間完成的。個人主頁：http://www.chenwangjeremy.net
王少雄（Shaoxiong Wang）：MIT CSAIL 博士生四年級，師從 Prof. Edward Adelson（此項目指導教授），本科畢業於清華大學。個人主頁：http://shaoxiongwang.com/
參考文獻：
[1] Lederman, Susan J., and Roberta L. Klatzky. "Hand movements: A window into haptic object recognition." Cognitive psychology 19.3 (1987): 342-368.
[2] M. K. Johnson and E. H. Adelson, "Retrographic sensing for the measurement of surface texture and shape," 2009 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Miami, FL, 2009, pp. 1070-1077, doi: 10.1109/CVPR.2009.5206534.