機械臂借助聲音實現 “感知”

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/）.

農業機器人有助于農民在惡劣環境條件下收割作物，尤其是在氣溫持續升高的情況下。然而，制造出價格低廉、且能靈活精準地在植物密集交錯的枝葉與樹干間穿梭的機械臂，并非易事。

在近期的一項研究中，科研人員開發了一套名為SonicBoom的傳感系統，能讓自主機器人借助聲音感知其接觸到的物體。6月2日發表于《IEEE機器人與自動化快報》的一篇研究論文闡述了這種方法 —— 它能以厘米級精度對機器人遇到的物體進行準確定位，即實現 “感知”（https://ieeexplore.ieee.org/document/11021384）。

Moonyoung (Mark) Lee是卡內基梅隆大學機器人學院的五年級博士生，參與了SonicBoom系統的研發。他指出，目前許多自主機器人依賴一系列基于攝像頭的微型觸覺傳感器。機器人表面覆蓋著一層保護性凝膠，凝膠下方的微型攝像頭通過視覺評估凝膠的形變來獲取觸覺信息。然而，在農業環境中，這種方法并不理想，因為植物枝條很可能會遮擋視覺傳感器。此外，基于攝像頭的傳感器成本較高，在這種環境下也容易損壞。

Lee還提到，另一種選擇是壓力傳感器，但為了有效感知機器人與枝條的接觸，這些傳感器需要覆蓋機器人的大部分表面。“想象一下，用這類傳感器覆蓋整個機械臂表面，成本會非常高。” 他說。

于是，Lee和他的同事們提出了一種截然不同的方法 —— 依靠聲音來實現感知。該系統包含一組接觸式麥克風，這些麥克風能將物理接觸轉化為通過固體材料傳播的聲音信號，并對其進行檢測。

SonicBoom的工作原理是什么？

當機械臂接觸到枝條時，產生的聲波會沿著機械臂傳播，直至抵達接觸式麥克風陣列。通過分析陣列中各麥克風所接收聲波的特性差異（如信號強度和相位），可以確定聲音的起源位置，也就是接觸點的位置。

Lee指出，這種方法能將麥克風嵌入機械臂更深處。這意味著，與安裝在機械臂外部的傳統視覺傳感器相比，它們更不容易損壞。“接觸式麥克風能輕松抵御惡劣環境下的摩擦接觸，” 他解釋道。

此外，這種方法只需在機械臂上分散安裝少量麥克風，而非用大量視覺傳感器或壓力傳感器密集覆蓋其表面。

為幫助SonicBoom更精準地定位接觸點，研究人員運用了一個人工智能模型，該模型通過對機械臂進行超過18000次木桿敲擊所收集的數據進行訓練。結果顯示，對于訓練過的檢測對象，SonicBoom對機械臂上接觸點的定位誤差僅為0.43厘米。對于未訓練過的物體（例如塑料或鋁制物體），其檢測誤差為2.22厘米。

在一項尚未發表的后續研究中，Lee和他的同事們正利用新數據訓練SonicBoom，使其能夠識別所接觸物體的類型 —— 例如，是葉子、枝條還是樹干（https://arxiv.org/abs/2505.12665）。

“有了SonicBoom，機器人可以盲目地四處觸碰，并知道接觸發生在何處，但歸根結底，對機器人來說，真正重要的信息是：我可以繼續推進嗎？還是說我碰到了堅硬的樹干，應該重新考慮如何移動手臂？” 他解釋道。

值得注意的是，Lee表示，SonicBoom尚未在真實的農業環境中進行測試。