Výskumníci prinášajú zmysel pre dotyk na robotický prst

Vedci z Columbia Engineering priniesli pocit dotyku na novovyvinutý robotický prst. Je schopný lokalizovať dotyk s extrémne vysokou presnosťou na veľkých, viacnásobne zakrivených plochách. Nový vývoj posúva robotiku o krok bližšie k dosiahnutiu stavu podobného ľuďom. 

Matei Ciocarlie je docentom na katedrách strojárstva a informatiky. Ciocarlie viedla výskum v spolupráci s profesorom elektrotechniky Ioannisom (John) Kymissis. 

„Medzi samostatnými hmatovými senzormi a plne integrovanými hmatovými prstami už dlho existuje priepasť – hmatové snímanie nie je v robotickej manipulácii stále ani zďaleka všadeprítomné,“ hovorí Ciocarlie. "V tomto článku sme demonštrovali viaczakrivený robotický prst s presnou lokalizáciou dotyku a detekciou normálnej sily na zložitých 3D povrchoch."

Súčasné metódy, ktoré sa používajú na integráciu dotykových senzorov do prstov robota, čelia mnohým výzvam. Je ťažké pokryť viaczakrivené povrchy, je tu vysoký počet drôtov a ťažkosti s osadením snímačov do malých končekov prstov, čo bráni použitiu v šikovných rukách. Tím Columbia Engineering obišiel tieto výzvy vyvinutím nového prístupu: použili prekrývajúce sa signály zo svetelných žiaričov a prijímačov, ktoré sú vložené do priehľadnej vlnovodnej vrstvy pokrývajúcej funkčné oblasti prsta. 

Tímu sa podarilo získať súbor dát signálu, ktorý sa mení v reakcii na deformáciu prsta v dôsledku dotyku. Urobili to meraním prenosu svetla medzi každým vysielačom a prijímačom. Užitočné informácie, ako je umiestnenie kontaktu a aplikovaná normálna sila, boli potom extrahované z údajov pomocou metód hlbokého učenia založených na údajoch. Tím to dokázal bez použitia analytických modelov. 

Prostredníctvom tejto metódy výskumný tím vyvinul plne integrovaný, senzorizovaný robotický prst, ktorý má nízky počet drôtov. Bol vyrobený pomocou dostupných výrobných metód a dá sa ľahko integrovať do šikovných rúk. 

Štúdia bola zverejnená online v r Transakcie IEEE/ASME v oblasti mechatroniky. 

Prvou časťou projektu bolo využitie svetla na vnímanie dotyku. Pod „kožou“ prsta je vrstva priehľadného silikónu a tím do nej svietil svetlom z viac ako 30 LED diód. Prst má tiež viac ako 30 fotodiód, ktoré sú zodpovedné za meranie, ako sa svetlo odráža. Akonáhle sa prst dostane do kontaktu s niečím, koža sa zdeformuje a svetlo sa pohybuje v priehľadnej vrstve pod kožou. Výskumníci potom zmerajú, koľko svetla prechádza z každej LED do každej diódy, aby prišli s približne 1,000 XNUMX signálmi. Každý z týchto signálov obsahuje informácie o nadviazanom kontakte.

"Ľudský prst poskytuje neuveriteľne bohaté kontaktné informácie - viac ako 400 malých dotykových senzorov na každom štvorcovom centimetri kože!" hovorí Ciocarlie. „Toto bol model, ktorý nás prinútil pokúsiť sa získať čo najviac údajov z nášho prsta. Bolo dôležité uistiť sa, že všetky kontakty na všetkých stranách prsta sú zakryté – v podstate sme vytvorili hmatový robotický prst bez slepých miest.“

Druhou časťou projektu bol tím navrhujúci dáta na spracovanie pomocou algoritmov strojového učenia. Údaje sú mimoriadne zložité a ľudia ich nedokážu interpretovať. Súčasné techniky strojového učenia sa však môžu naučiť extrahovať špecifické informácie, ako napríklad, kde sa prst dotýka, čo sa dotýka prsta a aká veľká sila sa používa. 

„Naše výsledky ukazujú, že hlboká neurónová sieť dokáže extrahovať tieto informácie s veľmi vysokou presnosťou,“ hovorí Kymissis. "Naše zariadenie je skutočne hmatový prst navrhnutý od samého začiatku na použitie v spojení s algoritmami AI."

Tím tiež navrhol prst tak, aby sa dal použiť na robotických rukách. Prst je schopný zhromaždiť takmer 1,000 signálov, ale vyžaduje len jeden 14-žilový kábel spájajúci ho s rukou. Na jeho fungovanie tiež nie je potrebná žiadna zložitá elektronika mimo paluby. 

Tím má v súčasnosti dve šikovné ruky, ktoré sa spájajú s prstami, a budú sa snažiť pomocou rúk demonštrovať zručné manipulačné schopnosti.

„Obratná robotická manipulácia je teraz potrebná v oblastiach, ako je výroba a logistika, a je jednou z technológií, ktoré sú z dlhodobého hľadiska potrebné na umožnenie osobnej robotickej asistencie v iných oblastiach, ako je zdravotná starostlivosť alebo služby,“ hovorí Ciocarlie.