Forscher verleihen Roboterfinger ein Gefühl für Berührung

Forscher an der Columbia Engineering haben einem neu entwickelten Roboterfinger ein Gefühl für Berührung verliehen. Er kann Berührungen mit extrem hoher Präzision über große, multicurved Oberflächen lokalisieren. Die neue Entwicklung bringt die Robotik einen Schritt näher an den menschlichen Status heran. 

Matei Ciocarlie ist Associate Professor in den Abteilungen für Maschinenbau und Informatik. Ciocarlie leitete die Forschung in Zusammenarbeit mit dem Professor für Elektrotechnik Ioannis (John) Kymissis. 

“Es gab lange Zeit eine Lücke zwischen eigenständigen taktilen Sensoren und vollständig integrierten taktilen Fingern – taktilen Sensoren sind noch weit entfernt von der Ubiquität in der Roboter-Manipulation”, sagt Ciocarlie. “In diesem Paper haben wir einen multicurveden Roboterfinger mit genauer Berührungslokalisierung und Normalkraftdetektion über komplexe 3D-Oberflächen demonstriert.”

Die aktuellen Methoden, die verwendet werden, um Berührungssensoren in Roboterfinger zu integrieren, stoßen auf viele Herausforderungen. Es ist schwierig, multicurvede Oberflächen abzudecken, es gibt eine hohe Anzahl an Kabeln und Schwierigkeiten, die Sensoren in kleine Fingertipps zu integrieren, was die Verwendung in dexterous Händen verhindert. Das Team der Columbia Engineering umging diese Herausforderungen, indem es einen neuen Ansatz entwickelte: Es verwendete überlappende Signale von Lichtemittenten und -empfängern, die in einer transparenten Wellenleiter-Schicht eingebettet sind, die die funktionalen Bereiche des Fingers abdeckt. 

Das Team konnte ein Signal-Datenset erhalten, das sich in Reaktion auf die Deformation des Fingers aufgrund von Berührung ändert. Es maß den Lichttransport zwischen jedem Emittenten und Empfänger. Nützliche Informationen, wie Kontaktposition und angelegte Normalkraft, wurden dann aus den Daten durch den Einsatz von datengetriebenen Deep-Learning-Methoden extrahiert. Das Team konnte dies ohne den Einsatz von analytischen Modellen tun. 

Mit dieser Methode entwickelte das Forschungsteam einen vollständig integrierten, sensorisierten Roboterfinger mit geringer Anzahl an Kabeln. Er wurde durch den Einsatz von zugänglichen Fertigungsmethoden gebaut und kann leicht in dexterous Hände integriert werden. 

Die Studie wurde online in der IEEE/ASME Transactions on Mechatronics veröffentlicht. 

Der erste Teil des Projekts bestand darin, Licht zur Erfassung von Berührungen zu verwenden. Es gibt eine Schicht aus transparentem Silikon unter der “Haut” des Fingers, und das Team leuchtete Licht hinein von über 30 LEDs. Der Finger verfügt auch über mehr als 30 Photodioden, die für die Messung der Lichtstreuung verantwortlich sind. Sobald der Finger mit etwas in Berührung kommt, verformt sich die Haut und das Licht bewegt sich in der transparenten Schicht unter der Haut. Die Forscher messen dann, wie viel Licht von jeder LED zu jeder Diode gelangt, um etwa 1.000 Signale zu erhalten. Jedes dieser Signale enthält Informationen über den Kontakt. 

“Der menschliche Finger liefert unglaublich reiche Kontaktdaten – mehr als 400 winzige Berührungssensoren pro Quadratzentimeter Haut!” sagt Ciocarlie. “Das war das Modell, das uns dazu brachte, so viele Daten wie möglich von unserem Finger zu erhalten. Es war entscheidend, sicherzustellen, dass alle Kontakte auf allen Seiten des Fingers abgedeckt waren – wir bauten im Wesentlichen einen taktilen Roboterfinger ohne Blindpunkte.”

Der zweite Teil des Projekts bestand darin, dass das Team die Daten so konzipierte, dass sie von Machine-Learning-Algorithmen verarbeitet werden können. Die Daten sind extrem komplex und können von Menschen nicht interpretiert werden. Allerdings können aktuelle Machine-Learning-Techniken lernen, spezifische Informationen wie die Position, an der der Finger berührt wird, was den Finger berührt und wie viel Kraft angewendet wird, zu extrahieren. 

“Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein Deep-Neural-Netz diese Informationen mit sehr hoher Genauigkeit extrahieren kann”, sagt Kymissis. “Unser Gerät ist wirklich ein taktiler Finger, der von Anfang an so konzipiert wurde, dass er in Verbindung mit KI-Algorithmen verwendet wird.”

Das Team entwarf den Finger auch so, dass er auf Roboterhänden verwendet werden kann. Der Finger kann fast 1.000 Signale sammeln, benötigt aber nur ein 14-Kabel-Kabel, um ihn mit der Hand zu verbinden. Es sind auch keine komplexen Off-Board-Elektronikkomponenten erforderlich, damit er funktioniert. 

Das Team verfügt derzeit über zwei dexterous Hände, die mit den Fingern integriert werden, und sie werden versuchen, die Hände zu verwenden, um dexterous Manipulationsfähigkeiten zu demonstrieren.

“Dexterous Roboter-Manipulation ist in Bereichen wie Fertigung und Logistik erforderlich und ist eine der Technologien, die langfristig erforderlich sind, um persönliche Roboter-Unterstützung in anderen Bereichen wie Gesundheitswesen oder Dienstleistungsdomänen zu ermöglichen”, sagt Ciocarlie.