Исследователи придают роботизированному пальцу чувство осязания

Исследователи из Колумбийской инженерной школы придали роботизированному пальцу чувство осязания. Он может локализовать прикосновение с чрезвычайно высокой точностью на больших, многокривых поверхностях. Это новое развитие приближает робототехнику к достижению человеческого уровня.

Матеи Чиокарли – ассоциированный профессор в отделениях механической инженерии и информатики. Чиокарли возглавлял исследование в сотрудничестве с профессором электротехники Иоаннисом (Джоном) Кимисисом.

“Долгое время существовал разрыв между отдельными тактильными датчиками и полностью интегрированными тактильными пальцами – тактильное ощущение все еще далеко от повсеместного использования в робототехнике”, – говорит Чиокарли. “В этой статье мы продемонстрировали многокривой роботизированный палец с точной локализацией прикосновения и обнаружением нормальной силы на сложных трехмерных поверхностях”.

Текущие методы, используемые для интеграции тактильных датчиков в роботизированные пальцы, сталкиваются с многими проблемами. Трудно покрыть многокривые поверхности, существует большое количество проводов, и трудно поместить датчики в небольшие кончики пальцев, что препятствует их использованию в ловких руках. Команда Колумбийской инженерной школы обошла эти проблемы, разработав новый подход: они использовали перекрывающиеся сигналы от излучающих и приемных устройств, встроенных в прозрачный волноводный слой, покрывающий функциональные области пальца.

Команда смогла получить набор сигналов, который меняется в ответ на деформацию пальца из-за прикосновения. Они сделали это, измерив транспорт света между каждым излучателем и приемником. Полезная информация, такая как место контакта и примененная нормальная сила, была затем извлечена из данных с помощью данных, управляемых методами глубокого обучения. Команда смогла сделать это без использования аналитических моделей.

С помощью этого метода исследовательская команда разработала полностью интегрированный, сенсоризированный роботизированный палец с низким количеством проводов. Он был построен с помощью доступных методов производства и может быть легко интегрирован в ловкие руки.

Исследование было опубликовано в онлайн-версии журнала IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

Первая часть проекта заключалась в использовании света для обнаружения прикосновения. Существует слой прозрачного силикона под “кожей” пальца, и команда направила свет в него от более чем 30 светодиодов. Палец также имеет более 30 фотодиодов, которые отвечают за измерение того, как свет отражается. Как только палец соприкасается с чем-либо, кожа деформируется, и свет перемещается в прозрачном слое под кожей. Исследователи затем измеряют, сколько света проходит от каждого светодиода к каждому диоду, чтобы получить около 1000 сигналов. Каждый из этих сигналов содержит информацию о контакте.

“Человеческий палец обеспечивает невероятно богатую информацию о контакте – более 400 крошечных тактильных датчиков на каждый квадратный сантиметр кожи!” – говорит Чиокарли. “Это было то, что побудило нас попытаться получить как можно больше данных из нашего пальца. Было важно убедиться, что все контакты на всех сторонах пальца были покрыты – мы по сути построили тактильный роботизированный палец без слепых зон”.

Вторая часть проекта заключалась в том, что команда разработала данные для обработки с помощью алгоритмов машинного обучения. Данные чрезвычайно сложны и не могут быть интерпретированы человеком. Однако современные методы машинного обучения могут научиться извлекать конкретную информацию, такую как место, где палец соприкасается, что соприкасается с пальцем и какая сила применяется.

“Наши результаты показывают, что глубокая нейронная сеть может извлечь эту информацию с очень высокой точностью”, – говорит Кимисис. “Наше устройство действительно является тактильным пальцем, разработанным с самого начала для использования в сочетании с алгоритмами ИИ”.

Команда также разработала палец так, чтобы он мог быть использован на роботизированных руках. Палец может собирать почти 1000 сигналов, но он требует только одного 14-проводного кабеля, подключенного к руке. Не требуются сложные внешние электронные компоненты для его функционирования.

В настоящее время у команды есть две ловкие руки, которые интегрируются с пальцами, и они будут использовать эти руки, чтобы продемонстрировать ловкие манипуляционные способности.

“Ловкие роботизированные манипуляции необходимы сейчас в таких областях, как производство и логистика, и являются одной из технологий, которые в долгосрочной перспективе необходимы для обеспечения личной роботизированной помощи в других областях, таких как здравоохранение или сервисные области”, – говорит Чиокарли.