雷鋒網(wǎng)按：本文為 AI 研習(xí)社編譯的技術(shù)博客，原標(biāo)題 Touch & Melt: Tactile Abstraction and Robotic Heat-Forming，作者為 Varun Gadh 。

翻譯 | 趙朋飛       校對 |  余杭   整理 | MY

這篇文章最初發(fā)表于2018年5月13日，是在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授的課程的一部分。  
是關(guān)于的 Varun Gadh 和 Hang Wang 的項目。

摘要

觸摸和熔化探索了人機(jī)協(xié)同生產(chǎn)的過程，這一過程中使用了人類固有的技能和功能機(jī)器人的技能找到并專注于對象物理表面和物體表面獨(dú)特紋理及其他相關(guān)特征的能力，能夠很容易地生成一個復(fù)雜的偽任意的移動路徑和一個對象——明顯是人的能力。在許多形式的制造中，以精確和一致的方式移動的能力是一種絕對屬于機(jī)器的能力。

使用 MoCap（動作捕捉）技術(shù)來收集觸覺掃描數(shù)據(jù)（跟隨人類末端執(zhí)行器的路徑）, 這種制造方法產(chǎn)生了被掃描物體的形式的抽象版本。這個抽象通過尋找花費(fèi)時間最多的區(qū)域來尋找特定的觸覺重要性特征。

接下來，這個過程使用一個觸摸密度的直方圖來生成一個機(jī)械手臂需要執(zhí)行的輪廓。最后，機(jī)器人手臂在一個空氣加熱回流工站操縱一塊苯乙烯塑料；它的運(yùn)動遵循生成的輪廓。由此產(chǎn)生的熔融塑料是對目標(biāo)物體人類解釋的一種抽象表示。

目的

本項目目的如下：

• 觀察人類觸覺掃描的形式； 什么樣的邊緣、形式、紋理和觸覺其他的重要方面；

• 測試這個假設(shè)： 使用這個系統(tǒng)掃描同一個物體時，不同的用戶會產(chǎn)生不同的輸出；

• 尋找合適的材料，材料厚度，機(jī)器人加熱工具，輪廓順序，溫度，氣壓。

過程

為方便解釋，將采用兩個用戶掃描單個物體的方式（圖片如下）。

用戶掃描對象物體時（本例中是一個項目創(chuàng)建者的臉），將一個或多個標(biāo)記傳感器安裝在手套或手指上（依賴于軟件和物理限制）。

MoCap 系統(tǒng)記錄掃描并收集3個坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)。

然后，將位置數(shù)據(jù)導(dǎo)出并通過 Python 腳本解析成 3D 空間中的一組點，以便在 Rhino 中由 Grasshopper  來表示。

3D 點集被壓平在一個平面上并覆上網(wǎng)格，每個區(qū)域的點密度被映射到相應(yīng)的方塊，并生成一個表示觸摸密度的熱圖：

在這份熱圖中，綠色-黃色-紅色依次表示增加的觸摸密度。
一旦觸摸密度值被映射到點陣中，每個點陣方框被提升到與它所代表的觸摸密度值相關(guān)的高度，并對凸起部分的表面進(jìn)行修補(bǔ)。

從這個新的平滑表面，通過在用戶設(shè)置的時間間隔內(nèi)對其進(jìn)行切片來提取一組輪廓（下圖）。為了更深入地了解等值線的工作原理，請閱讀 Rhino 中的輪廓功能，這兩種行為都基于相同的原理）。

這些輪廓線被分解為路徑集工機(jī)械臂參照：

從收集到的數(shù)據(jù)到機(jī)器人路徑，這個過程保留了相當(dāng)多的易辨識性。

機(jī)械臂引導(dǎo)加熱槍下的聚乙烯材料沿著輪廓路徑移動。

一塊苯乙烯的原料被安裝在機(jī)器人的夾子上，機(jī)械臂引導(dǎo)加熱槍下的聚乙烯材料沿著輪廓路徑移動。

經(jīng)過多次測試（塑料有一點燒焦），我們能夠找到表達(dá)能力和信息保留有效平衡的制造過程！

然而，達(dá)到這一有效的制造過程并非易事。制造過程中需要測試和探索的一個因素是按順序排列的輪廓。

為了加熱，我們想要使材料的 z 軸偏轉(zhuǎn)最大化（為了得到最具生動性和表現(xiàn)力的輸出），我們最初認(rèn)為，我們應(yīng)該以一種由內(nèi)到外的順序來處理同心輪廓。這將使加熱槍和隨后的輪廓之間的距離最小化。然而，我們了解到，當(dāng)輪廓相對較近時，內(nèi)環(huán)會受到過多加熱，并在材料上形成孔洞，以一種我們認(rèn)為不太理想的方式來扭曲剩余材料，以保持輪廓信息。因此，我們認(rèn)為最好的方法是，從外到內(nèi)移動，減少內(nèi)部輪廓的受熱。

然而，當(dāng)我們測試從外到內(nèi)的順序時，在材料中，內(nèi)部輪廓線的位置離加熱槍的距離太遠(yuǎn)，材料無法有效地融化。最后，我們決定按切片的順序來處理每一層的輪廓。例如，下面的圖（1）中的最外層的輪廓將首先被處理。接下來，第二個更小的同心輪廓，即等值的同心度（2）的小輪廓線。隨后的圓形輪廓將包括那些標(biāo)記為（3）的輪廓。依次類推，一直持續(xù)到最后一層。這種加熱順序被證明是最有效的，因為它是對那些本應(yīng)變形的區(qū)域的一種有效的平衡，但在一個小地方卻沒有足夠的集中熱量導(dǎo)致出現(xiàn)大洞。

輸出

當(dāng)不同的用戶掃描相同的對象時，結(jié)果在路徑和觸摸密度上都有很大的變化。例如，兩名相對不熟悉系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的志愿者掃描了同一個對象（一個項目成員的臉），并以完全不同的方式進(jìn)行掃描；速度、主要焦點的特征和掃描目標(biāo)的變化非常大。如下所示，這些路徑在結(jié)構(gòu)上是不同的并且以他們自己的模式重復(fù)。

在調(diào)查哪些物理特征最吸引人時，我們能夠收集主要關(guān)于人臉的信息，因為這是我們所選擇的對象集合。一般來說，鼻尖、鼻邊、下巴和較低的前額似乎是最主要的興趣所在。這似乎是由于這些特征有清晰的輪廓定義。相對不穩(wěn)定或平坦的地形（如飛機(jī)或鋸齒狀的表面）似乎并沒有特別的觸覺興趣，而邊緣和相對較長的曲線似乎更容易引起人們的注意。

經(jīng)過各種測試，我們發(fā)現(xiàn)最優(yōu)輸出參數(shù)如下：

• 加熱回流工站，溫度為 430 攝氏度，90% 的空氣壓力 

• 1/16″ 苯乙烯塑料 

• 熱噴槍（熱空氣重做站的末端）距離苯乙烯塑料表面 1.25″ 

• 5mm/s 移動速度

• 一種同心的等高線排序模式（更多信息請參閱過程部分的最后一段）

致謝

感謝 Garth Zeglin 和 Joshua BardWe 教授在整個項目過程中的指導(dǎo)和幫助。同樣感謝 Jett Vaultz, Ana Cedillo, Amy Coronado, Felipe Oropeza, Kelly Underwood, Jade Crockem, 以及 Victor Acevedo 貢獻(xiàn)了他們寶貴的時間。.

原文鏈接：https://medium.com/@vgadh/touchmelt-94510253522d

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