Forskare ger en robotisk finger en känsel av beröring

Forskare vid Columbia Engineering har gett en nyutvecklad robotisk finger en känsel av beröring. Den kan lokalisera beröring med extremt hög precision över stora, multicurveda ytor. Den nya utvecklingen bringar robotiken ett steg närmare att nå en mänsklig status.

Matei Ciocarlie är en biträdande professor i avdelningarna för maskinteknik och datavetenskap. Ciocarlie ledde forskningen i samarbete med professor Ioannis (John) Kymissis i elektroteknik.

“Det har länge funnits ett gap mellan fristående taktila sensorer och fullt integrerade taktila fingrar — taktil känsla är fortfarande långt ifrån allmänt förekommande i robotmanipulation”, säger Ciocarlie. “I den här artikeln har vi demonstrerat en multicurved robotisk finger med exakt beröringslokalisering och normal kraftdetektering över komplexa 3D-ytor.”

De nuvarande metoderna som används för att integrera beröringssensorer i robotfingrar möter många utmaningar. Det är svårt att täcka multicurveda ytor, det finns ett högt antal kablar och svårigheter att få in sensorerna i små fingertoppar, vilket förhindrar användningen i dexterösa händer. Columbia Engineering-teamet kom runt dessa utmaningar genom att utveckla en ny metod: de använde överlappande signaler från ljusutsändare och mottagare som är inbäddade i ett transparent våglängdsskikt som täcker de funktionella områdena av fingret.

Teamet kunde få en signaldatauppsättning som förändras i samband med deformationen av fingret på grund av beröring. De gjorde detta genom att mäta ljustransporten mellan varje utsändare och mottagare. Användbar information, såsom kontaktplats och applicerad normal kraft, extraherades sedan från data med hjälp av datastyrda djupa inlärningsmetoder. Teamet kunde göra detta utan att använda analytiska modeller.

Genom denna metod utvecklade forskarteamet en fullt integrerad, sensoriserad robotfinger som har ett lågt antal kablar. Den byggdes med hjälp av tillgängliga tillverkningsmetoder och kan enkelt integreras i dexterösa händer.

Studien publicerades online i IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

Den första delen av projektet var att använda ljus för att känna beröring. Det finns ett lager av transparent silikon under “huden” på fingret, och teamet skickade ljus in i det från över 30 LED-lampor. Fingret har också över 30 fotodioder som är ansvariga för att mäta hur ljuset studsar runt. Så fort fingret kommer i kontakt med något, deformeras huden och ljuset rör sig runt i det transparenta skiktet under huden. Forskarna mätte sedan hur mycket ljus som går från varje LED till varje diod för att komma upp med cirka 1 000 signaler. Var och en av dessa signaler innehåller information om kontakten.

“Den mänskliga fingret tillhandahåller otroligt rik kontaktinformation — mer än 400 små beröringssensorer i varje kvadratcentimeter av hud!” säger Ciocarlie. “Det var den modellen som drev oss att försöka få så mycket data som möjligt från vår finger. Det var avgörande att se till att alla kontakter på alla sidor av fingret var täckta — vi byggde i princip en taktil robotfinger utan blinda fläckar.”

Den andra delen av projektet var att teamet designade data för att bearbetas av maskinlärningsalgoritmer. Data är extremt komplex och kan inte tolkas av människor. Men nuvarande maskinlärningstekniker kan lära sig att extrahera specifik information, såsom var fingret berörs, vad som berör fingret och hur mycket kraft som appliceras.

“Våra resultat visar att ett djupt neuronnätverk kan extrahera denna information med mycket hög precision”, säger Kymissis. “Vår enhet är verkligen en taktil finger utformad från början för att användas i kombination med AI-algoritmer.”

Teamet designade också fingret så att det kan användas på robotiska händer. Fingret kan samla in nästan 1 000 signaler, men det kräver bara en 14-kabelanslutning till handen. Det finns inga komplexa externa elektronik som krävs för att det ska fungera.

Teamet har för närvarande två dexterösa händer som integreras med fingrarna, och de kommer att försöka använda händerna för att demonstrera dexterösa manipuleringsförmågor.

“Dexterös robotmanipulation behövs nu inom områden som tillverkning och logistik, och är en av de tekniker som på lång sikt behövs för att möjliggöra personlig robotassistans inom andra områden, såsom hälsovård eller serviceområden”, säger Ciocarlie.