Naukowcy nadają robotycznemu palcowi zmysł dotyku

Naukowcy z Columbia Engineering wprowadzili zmysł dotyku do nowo opracowanego palca robotycznego. Jest on w stanie lokalizować dotyk z niezwykle wysoką precyzją na dużych, wielokrzywych powierzchniach. Nowy rozwój zbliża robotykę do osiągnięcia statusu podobnego do ludzkiego.

Matei Ciocarlie jest associate profesorem w departamentach inżynierii mechanicznej i informatyki. Ciocarlie kierował badaniami we współpracy z profesorem Ioannisem (Johnem) Kymissisem z Wydziału Inżynierii Elektrycznej.

“Zawsze istniała luka między niezależnymi czujnikami dotyku a w pełni zintegrowanymi palcami dotyku – czujniki dotyku są nadal dalekie od powszechnego stosowania w manipulacji robotycznej”, mówi Ciocarlie. “W tym artykule udowodniliśmy, że palec robotyczny z dokładną lokalizacją dotyku i wykrywaniem siły normalnej na złożonych powierzchniach 3D jest możliwy.”

Bieżące metody stosowane do integrowania czujników dotyku z palcami robotycznymi napotykają wiele wyzwań. Trudno jest pokryć wielokrzywe powierzchnie, występuje wysoka liczba przewodów, a trudno jest dopasować czujniki do małych palców, co uniemożliwia ich stosowanie w rękach zręcznych. Zespół z Columbia Engineering ominął te wyzwania, rozwijając nowe podejście: zastosowali oni nakładające się sygnały z emiterów i odbiorników wbudowanych w warstwę przewodzącą światło, pokrywającą funkcjonalne obszary palca.

Zespół uzyskał zestaw danych sygnałowych, który zmienia się w odpowiedzi na deformację palca spowodowaną dotykiem. Zrobili to, mierząc transport światła między każdym emiterem i odbiornikiem. Przydatne informacje, takie jak położenie kontaktu i zastosowana siła normalna, zostały następnie wyodrębnione z danych za pomocą danych napędzanych metod głębokiego uczenia.

Dzięki tej metodzie zespół badawczy opracował w pełni zintegrowany, zmysłowy palec robotyczny o niskiej liczbie przewodów. Został on zbudowany za pomocą dostępnych metod produkcji i może być łatwo zintegrowany z rękami zręcznymi.

Badanie zostało opublikowane online w IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

Pierwszą częścią projektu było zastosowanie światła do wykrywania dotyku. Istnieje warstwa przezroczystego silikonu pod “skórą” palca, a zespół skierował światło do niej z ponad 30 diod LED. Palec ma również ponad 30 fotodiod, które są odpowiedzialne za pomiar tego, jak światło odbija się wokół. Jak tylko palec ma kontakt z czymś, skóra ulega deformacji, a światło porusza się w warstwie przezroczystej pod skórą. Następnie naukowcy mierzą, ile światła dociera z każdej diody LED do każdego diodu, aby uzyskać około 1000 sygnałów. Każdy z tych sygnałów zawiera informacje o kontakcie.

“Ludzki palec zapewnia niesamowicie bogate informacje o kontakcie – ponad 400 małych czujników dotyku na każdy centymetr kwadratowy skóry!” mówi Ciocarlie. “To było naszym modelem, który skłonił nas do próby uzyskania jak najwięcej danych z naszego palca. Było to kluczowe, aby upewnić się, że wszystkie kontakty na wszystkich stronach palca są pokryte – zasadniczo zbudowaliśmy palec robotyczny z żadnymi martwymi punktami.”

Druga część projektu polegała na tym, że zespół zaprojektował dane do przetwarzania przez algorytmy uczenia maszynowego. Dane są niezwykle złożone i nie mogą być interpretowane przez ludzi. Jednak obecne techniki uczenia maszynowego mogą nauczyć się wyodrębniać określone informacje, takie jak miejsce, w którym palec jest dotykany, co dotyka palca i jaka siła jest stosowana.

“Nasze wyniki pokazują, że sieć neuronowa może wyodrębnić te informacje z bardzo wysoką precyzją”, mówi Kymissis. “Nasz urządzenie jest prawdziwym palcem dotyku zaprojektowanym od samego początku do użytku w połączeniu z algorytmami AI.”

Zespół zaprojektował również palec tak, aby mógł być używany na rękach robotycznych. Palec może zbierać prawie 1000 sygnałów, ale wymaga tylko jednego 14-przewodowego kabla łączącego go z ręką. Nie są wymagane również żadne złożone elektroniczne urządzenia poza palec, aby działał.

Zespół obecnie ma dwie ręce zręczne, które są integrowane z palcami, i będą starać się użyć rąk do zademonstrowania zdolności manipulacji zręcznej.

“Manipulacja robotyczna zręczna jest potrzebna teraz w dziedzinach takich jak produkcja i logistyka, i jest to jedna z technologii, które są potrzebne w dłuższej perspektywie, aby umożliwić osobistą asystę robotyczną w innych dziedzinach, takich jak opieka zdrowotna lub usługi”, mówi Ciocarlie.