Tutkijat antoivat robotti­sormelle tunteen

Columbia Engineeringin tutkijat ovat kehittäneet uuden robotti­sormen, jossa on tunteen tuntemisen kyky. Se pystyy paikallistamaan kosketuksen erittäin korkealla tarkkuudella suurten, monimuotoisten pintojen yli. Uusi kehitys tuo robotiikan lähemmäs ihmisen kaltaista tasoitteista.

Matei Ciocarlie on apulaisprofessori mekaniikan ja tietokoneen insinööritieteiden laitoksilla. Ciocarlie johti tutkimusta yhteistyössä sähkötekniikan professori Ioannis (John) Kymissisin kanssa.

“On ollut pitkään aukko erillisten taktiilisten antureiden ja täysin integroiden taktiilisten sormien välillä – taktiilinen aistiminen on edelleen kaukana robotin manipuloinnista”, sanoo Ciocarlie. “Tässä tutkimuksessa olemme osoittaneet monimuotoisen robotti­sormen, jossa on tarkka kosketuksen paikallistaminen ja normaalin voiman havaitseminen monimutkaisilla 3D-pinnoilla.”

Nykyiset menetelmät, joita käytetään taktiilisten antureiden integroimiseen robottiin, kohtaavat monia haasteita. On vaikea peittää monimuotoisia pintoja, siinä on suuri johtimien määrä ja vaikeus sovittaa antureita pieniin sormenpäihin, mikä estää niiden käytön taitavissa käsissä. Columbia Engineering -tiimi kiersi nämä haasteet kehittämällä uuden lähestymistavan: he käyttivät limittyviä signaaleja valon lähettäjistä ja vastaanottimista, jotka on upotettu läpinäkyvään aaltojohtimen kerrokseen, joka peittää sormen toiminnalliset alueet.

Tutkijaryhmä pystyi hankkimaan signaaliaineiston, joka muuttuu sormen muodonmuutoksen vuoksi kosketuksesta. He tekivät tämän mittaamalla valonsiirtymää jokaisen lähettimen ja vastaanottimen välillä. Hyödyllistä tietoa, kuten kosketuspaikkaa ja sovellettua normaalia voimaa, saatiin sitten poistettua aineistosta käyttämällä dataohjattuja syväoppimismenetelmiä. Tutkijaryhmä pystyi tekemään tämän ilman analyyttisten mallien käyttöä.

Täten tutkimusryhmä kehitti täysin integroidun, anturin varustetun robotti­sormen, jossa on matala johtimien määrä. Se valmistettiin käyttämällä helposti saatavissa olevia valmistusmenetelmiä ja se voidaan helposti integroida taitaviin käsiin.

Tutkimus julkaistiin verkossa IEEE/ASME Transactions on Mechatronics -julkaisussa.

Projektin ensimmäinen osa oli valon käyttäminen kosketuksen aistimiseen. Sormen “ihon” alla on kerros läpinäkyvää silikonia, ja tutkijaryhmä valaisi siihen yli 30 LED-valoa. Sormessa on myös yli 30 valodiodia, jotka vastaavat valon mittaamisesta, kun se heijastuu. Kun sormi tulee kosketuksiin jonkin asian kanssa, iho muuttuu muotoa ja valo liikkuu läpinäkyvän kerroksen alla. Tutkijat mittaavat sitten, kuinka paljon valoa menee jokaisesta LED:stä jokaiseen diodiin, jolloin saadaan noin 1 000 signaalia. Kukin signaali sisältää tietoa kosketuksesta.

“Ihmis­sormi antaa uskomattoman rikkaan kosketustiedon – yli 400 pientä tunsijaanturia jokaisessa neliösenttimetrissä ihon pinnalla!” sanoo Ciocarlie. “Se oli malli, joka sai meidät yrittämään saada mahdollisimman paljon tietoa sormestamme. Se oli kriittistä varmistaa, että kaikki kosketukset sormen kaikilla puolilla olivat peitetty – rakensimme taktiilisen robotti­sormen, jolla ei ollut sokeita pisteitä.”

Projektin toinen osa oli tutkijaryhmän suunnittelu dataa varten, jota käytetään koneoppimisalgoritmeja. Data on erittäin monimutkainen eikä sitä voida tulkita ihmisten toimesta. Nykyiset koneoppimismenetelmät voivat kuitenkin oppia poistamaan tietyn tiedon, kuten sen, missä sormi koskettaa, mitä sormi koskettaa ja kuinka paljon voimaa on sovellettu.

“Tuloksemme osoittavat, että syvä neuroverkko voi poistaa tämän tiedon erittäin korkealla tarkkuudella”, sanoo Kymissis. “Laite on todella taktiilinen sormi, joka on suunniteltu alusta alkaen käytettäväksi yhdessä tekoälyalgoritmien kanssa.”

Tutkijaryhmä suunnitteli myös sormen siten, että se voidaan käyttää robotti käsissä. Sormi pystyy keräämään lähes 1 000 signaalia, mutta se vaatii vain yhden 14-johtimen kaapelin, joka yhdistää sen käteen. Siinä ei myöskään vaadita monimutkaisia ulkoisia elektroniikkaa sen toimimiseen.

Tutkijaryhmällä on tällä hetkellä kaksi taitavaa käsiä, jotka on integroitu sormin, ja he aikovat käyttää käsiä taitavien manipulaatiokykyjen osoittamiseen.

“Taitava robotti­manipulaatio on tarpeen jo nyt valmistus- ja logistiikka­aloilla, ja se on yksi niistä tekniikoista, joita tarvitaan pitkällä aikavälillä henkilökohtaisten robotti­avustajien mahdollistamiseen muilla aloilla, kuten terveydenhuollossa tai palvelu­alueilla”, sanoo Ciocarlie.