Vědci přinášejí smysl doteku robotickému prstu

Vědci z Columbia Engineering přinesli smysl doteku nově vyvinutému robotickému prstu. Je schopen lokalizovat dotek s extrémní přesností přes velké, multicurved povrchy. Nová vývojová fáze přibližuje robotiku k dosažení lidské úrovně.

Matei Ciocarlie je associate profesor v oddělení mechanického inženýrství a počítačových věd. Ciocarlie vedl výzkum ve spolupráci s profesorem elektrotechnického inženýrství Ioannisem (Johnem) Kymissisem.

“Po dlouhou dobu existovala mezera mezi samostatnými taktilními senzory a plně integrovanými taktilními prsty — taktilní snímání je stále daleko od všudypřítomnosti v robotické manipulaci,” říká Ciocarlie. “V tomto článku jsme prokázali multicurved robotický prst s přesnou lokalizací doteku a detekcí normální síly nad komplexními 3D povrchy.”

Současné metody, které se používají k integraci dotekových senzorů do robotických prstů, čelí mnoha výzvám. Je obtížné pokrýt multicurved povrchy, je zde vysoký počet vodičů a obtížnost umístění senzorů do malých konců prstů, což brání použití v dexterous rukou. Tým z Columbia Engineering obešel tyto výzvy vyvinutím nového přístupu: použili se překrývající signály z světelných emitorů a přijímačů, které jsou vestavěny do transparentní vlnovodné vrstvy pokrývající funkční oblasti prstu.

Tým získal sadu signálů, které se mění v odpovědi na deformaci prstu v důsledku doteku. To provedli měřením transportu světla mezi každým emitorovým a přijímačem. Užitečné informace, jako je umístění kontaktu a aplikovaná normální síla, byly poté extrahovány z dat pomocí datově řízených hlubokých učících se metod. Tým byl schopen to provést bez použití analytických modelů.

Tímto způsobem výzkumný tým vyvinul plně integrovaný, senzorizovaný robotický prst s nízkým počtem vodičů. Byl postaven pomocí přístupných výrobních metod a může být snadno integrován do dexterous rukou.

Studie byla publikována online v IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

První část projektu spočívala v použití světla k snímání doteku. Existuje vrstva transparentního silikonu pod “kůží” prstu a tým svítil světlo do něj z více než 30 LED. Prst také má více než 30 fotodiodek, které jsou odpovědné za měření, jak se světlo pohybuje. Jakmile prst přijde do kontaktu s něčím, kůže se deformuje a světlo se pohybuje v transparentní vrstvě pod kůží. Výzkumníci poté měří, kolik světla jde z každého LED na každou diodu, aby získali asi 1 000 signálů. Každý z těchto signálů obsahuje informace o kontaktu.

“Lidský prst poskytuje neuvěřitelně bohaté kontaktní informace — více než 400 malých taktilních senzorů v každém čtverečním centimetru kůže!” říká Ciocarlie. “To byl model, který nás vedl k tomu, abychom se pokusili získat co nejvíce dat z našeho prstu. Bylo kritické zajistit, aby všechny kontakty na všech stranách prstu byly pokryty — vlastně jsme postavili taktilní robotický prst bez slepých míst.”

Druhá část projektu spočívala v tom, že tým navrhl data pro zpracování pomocí algoritmů strojového učení. Data jsou extrémně komplexní a nemohou být interpretována lidmi. Nicméně současné techniky strojového učení mohou naučit extrahovat specifické informace, jako je místo, kde je prst dotek, co se dotýká prstu a jaká síla je aplikována.

“Naše výsledky ukazují, že hluboká neuronová síť může extrahovat tyto informace s velmi vysokou přesností,” říká Kymissis. “Náš zařízení je skutečně taktilní prst navržen od samého začátku pro použití ve spojení s algoritmy AI.”

Tým také navrhl prst tak, aby mohl být použit na robotických rukou. Prst je schopen shromáždit téměř 1 000 signálů, ale vyžaduje pouze jeden 14-vodičový kabel pro připojení k ruce. Nejsou vyžadovány žádné komplexní externí elektronické součásti pro jeho fungování.

Tým目前 má dvě dexterous ruce, které jsou integrovány s prsty, a budou se snažit použít ruce k prokázání dexterous manipulačních schopností.

“Dexterous robotická manipulace je nyní potřebná v oblastech, jako je výroba a logistika, a je jednou z technologií, které jsou v dlouhodobém horizontu potřebné pro umožnění osobní robotické asistence v jiných oblastech, jako je zdravotnictví nebo servisní domény,” říká Ciocarlie.