Les chercheurs apportent le sens du toucher à un doigt robotique

Les chercheurs de Columbia Engineering ont apporté le sens du toucher à un nouveau doigt robotique développé. Il est capable de localiser le toucher avec une précision extrêmement élevée sur de grandes surfaces multicourbes. Ce nouveau développement rapproche la robotique d’un statut similaire à celui de l’homme. 

Matei Ciocarlie est professeur associé dans les départements de génie mécanique et d’informatique. Ciocarlie a dirigé la recherche en collaboration avec le professeur d’ingénierie électrique Ioannis (John) Kymissis. 

“Il y a longtemps un écart entre les capteurs tactiles autonomes et les doigts tactiles entièrement intégrés – la détection tactile est encore loin d’être omniprésente dans la manipulation robotique”, déclare Ciocarlie. “Dans cet article, nous avons démontré un doigt robotique multicourbe avec une localisation tactile précise et une détection de force normale sur des surfaces 3D complexes.”

Les méthodes actuelles utilisées pour intégrer des capteurs de toucher dans les doigts de robot rencontrent de nombreux défis. Il est difficile de couvrir des surfaces multicourbes, il y a un nombre élevé de câbles et une difficulté à installer les capteurs dans les petites extrémités des doigts, ce qui empêche leur utilisation dans les mains dextres. L’équipe de Columbia Engineering a contourné ces défis en développant une nouvelle approche : ils ont utilisé des signaux superposés d’émetteurs et de récepteurs de lumière intégrés dans une couche de guide d’onde transparente recouvrant les zones fonctionnelles du doigt. 

L’équipe a pu obtenir un ensemble de données de signal qui change en réponse à la déformation du doigt due au toucher. Ils ont fait cela en mesurant le transport de lumière entre chaque émetteur et récepteur. Des informations utiles, telles que l’emplacement de contact et la force normale appliquée, ont ensuite été extraites des données à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique basées sur les données. L’équipe a pu le faire sans utiliser de modèles analytiques. 

Grâce à cette méthode, l’équipe de recherche a développé un doigt robotique entièrement intégré et sensorisé qui a un faible nombre de câbles. Il a été construit à l’aide de méthodes de fabrication accessibles et peut être facilement intégré dans des mains dextres. 

L’étude a été publiée en ligne dans IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 

La première partie du projet a consisté à utiliser la lumière pour détecter le toucher. Il y a une couche de silicone transparent sous la “peau” du doigt, et l’équipe a projeté de la lumière à l’intérieur à partir de plus de 30 LEDs. Le doigt comporte également plus de 30 photodiodes responsables de la mesure de la façon dont la lumière rebondit. Dès que le doigt entre en contact avec quelque chose, la peau se déforme et la lumière se déplace dans la couche transparente sous la peau. Les chercheurs mesurent ensuite la quantité de lumière qui va de chaque LED à chaque diode afin d’obtenir environ 1 000 signaux. Chacun de ces signaux contient des informations sur le contact réalisé.

“Le doigt humain fournit des informations de contact incroyablement riches – plus de 400 petits capteurs de toucher dans chaque centimètre carré de peau !” déclare Ciocarlie. “C’était le modèle qui nous a poussés à essayer d’obtenir autant de données que possible à partir de notre doigt. Il était essentiel de s’assurer que tous les contacts sur toutes les faces du doigt étaient couverts – nous avons essentiellement construit un doigt robotique tactile sans points aveugles.”

La deuxième partie du projet a consisté pour l’équipe à concevoir les données pour être traitées par des algorithmes d’apprentissage automatique. Les données sont extrêmement complexes et ne peuvent pas être interprétées par les humains. Cependant, les techniques d’apprentissage automatique actuelles peuvent apprendre à extraire des informations spécifiques, telles que l’endroit où le doigt est touché, ce qui touche le doigt et quelle force est appliquée. 

“Nos résultats montrent qu’un réseau neuronal profond peut extraire ces informations avec une très grande précision”, déclare Kymissis. “Notre appareil est vraiment un doigt tactile conçu dès le début pour être utilisé en conjonction avec des algorithmes d’IA.”

L’équipe a également conçu le doigt de telle sorte qu’il puisse être utilisé sur des mains robotiques. Le doigt peut collecter près de 1 000 signaux, mais il n’a besoin que d’un seul câble de 14 fils pour se connecter à la main. Il n’y a pas non plus d’électronique complexe hors de la carte requise pour qu’il fonctionne. 

L’équipe dispose actuellement de deux mains dextres qui sont intégrées avec les doigts, et ils chercheront à utiliser les mains pour démontrer des capacités de manipulation dextres. 

“La manipulation robotique dextre est nécessaire maintenant dans des domaines tels que la fabrication et la logistique, et c’est l’une des technologies qui, à long terme, sont nécessaires pour permettre l’assistance robotique personnelle dans d’autres domaines, tels que les soins de santé ou les domaines de service”, déclare Ciocarlie.