ロボット指に触覚を実現した研究者

コロンビア工学大学の研究者は、新しく開発されたロボット指に触覚を実現しました。極めて高い精度で、大きな複曲面上での触覚を局所化することができます。この新しい開発は、ロボットが人間のようなステータスに近づく一歩になります。

マテイ・チョカーリェは、機械工学とコンピューター科学の学部で准教授です。チョカーリェは、電気工学の教授イオアニス（ジョン）・キミシスと共同で研究を主導しました。

「スタンドアロンの触覚センサーと完全に統合された触覚指の間には、長い間ギャップがありました。触覚センシングはまだロボットの操作では一般的ではありません」とチョカーリェは述べています。「この論文では、複曲面上での正確な触覚局所化と法線力検出が可能な複曲ロボット指を実証しました」。

ロボット指に触覚センサーを統合するために現在使用されている方法は、多くの課題に直面しています。複曲面をカバーすることが難しく、ワイヤーの数が多く、センサーを小さな指先に収めることが難しいため、器用な手で使用することができません。コロンビア工学大学のチームは、これらの課題を回避するために新しいアプローチを開発しました。彼らは、ロボット指の機能的な領域を覆う透明な波導層に埋め込まれた光発生器と受信機からの信号を重ね合わせました。

チームは、触覚によって指が変形することに対する信号データセットを取得することができました。彼らは、各光発生器と受信機間の光伝達を測定することでこれを実現しました。接触位置や適用された法線力などの有用な情報は、データドリブンのディープラーニング方法を使用してデータから抽出されました。チームは、分析モデルを使用せずにこれを実現しました。

この方法を通じて、研究チームはワイヤーの数が少ない完全に統合されたセンサ化ロボット指を開発しました。これは、容易にアクセスできる製造方法を使用して構築され、器用な手に入れやすいです。

この研究は、IEEE/ASME Transactions on Mechatronicsにオンラインで公開されました。

プロジェクトの最初の部分は、触覚を感知するために光を使用することでした。指の「皮膚」下には透明なシリコンの層があり、チームは30個以上のLEDから光を照射しました。指には、光がどのように跳ね返るかを測定するために30個以上のフォトダイオードがあります。指が何かと接触すると、皮膚が変形し、下にある透明な層の中で光が移動します。研究者は、各LEDから各ダイオードへの光の量を測定して、約1000の信号を生成します。各信号には、接触に関する情報が含まれています。

「人間の指は、1平方センチメートルの皮膚あたり400個以上の小さなタッチセンサーを提供します」とチョカーリェは述べています。「これが私たちを刺激して、指から可能な限り多くのデータを取得しようとする動機となりました。指のすべての側面の接触をカバーすることが重要でした。私たちは、盲点のないタクティルロボット指を実際に構築しました」。

プロジェクトの2番目の部分は、チームがデータを機械学習アルゴリズムで処理できるように設計することでした。データは非常に複雑で、人間が解釈することはできません。しかし、現在の機械学習技術は、指がどこで触れられたか、指に何が触れているか、どれだけの力が適用されているかなどの特定の情報を抽出することができます。

「私たちの結果は、ディープニューラルネットワークが非常に高い精度でこの情報を抽出できることを示しています」とキミシスは述べています。「私たちのデバイスは、最初からAIアルゴリズムと組み合わせて使用するように設計された真正のタクティル指です」。

チームは、指をロボットの手で使用できるように設計しました。指は約1000の信号を収集できますが、手と接続するために14本のワイヤーケーブルしか必要ありません。さらに、複雑なオフボードエレクトロニクスは必要ありません。

現在、チームは指を統合するために2つの器用な手を使用しています。彼らは、器用な操作能力を示すために手を使用することを目指しています。

「器用なロボット操作は、現在、製造や物流などの分野で必要です。さらに、将来的には、ヘルスケアやサービス分野などの他の分野でのパーソナルロボット支援を可能にするために必要なテクノロジーの1つです」とチョカーリェは述べています。