พื้นฐาน AI
ผิวอิเล็กทรอนิกส์สำหรับหุ่นยนต์มนุษย์: วิธีการทำงาน
เพิ่ม Unite.AI ลงในแหล่งข้อมูลที่คุณต้องการบน Google
ผิวอิเล็กทรอนิกส์ (e-skin) คือชั้นเซนเซอร์ที่ยืดหยุ่นหรือสามารถปรับรูปให้เข้ากับพื้นผิว ซึ่งให้ข้อมูลการสัมผัสและสภาพแวดล้อมใกล้เคียงแก่หุ่นยนต์ ขึ้นอยู่กับการออกแบบ สามารถวัดแรงกด, แรงเฉือน, การบิด, อุณหภูมิ, การสั่นหรือระยะห่างจากพื้นผิวได้
งานวิจัยต้นฉบับในปี 2020 ที่แสดงบนหน้านี้ได้สาธิตการตรวจจับระยะห่างแบบพลังงานอิสระสำหรับการโต้ตอบระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ ตั้งแต่ตอนนั้นสาขานี้ได้ก้าวต่อไปสู่การพัฒนาอาเรย์หลายโหมด, มือหุ่นยนต์แบบอ่อนนุ่มและระบบเซนเซอร์ที่ผสานการรับรู้กับการตอบสนอง
ประเด็นสำคัญ
- ผิวอิเล็กทรอนิกส์เป็นระบบของวัสดุ, เซนเซอร์, สายไฟ, การปรับสัญญาณและการสรุปผล—not เซนเซอร์เดียว
- วิธีการแปลงสัญญาณที่แตกต่างกันจะเปลี่ยนแรง, การบิด, ความร้อนหรือระยะห่างเป็นสัญญาณไฟฟ้า
- การครอบคลุมพื้นที่, ความไว, ความทนทาน, สายไฟและการสอบเทียบต้องมีการแลกเปลี่ยนกัน
- พฤติกรรมหุ่นยนต์ที่ปลอดภัยต้องอาศัยการผสานสัญญาณการสัมผัสกับการควบคุม ไม่ใช่แค่การแสดงผลเท่านั้น
สิ่งที่ผิวอิเล็กทรอนิกส์วัดได้
แรงกดคือแรงต่อพื้นที่; แรงเฉือนคือแรงที่ขนานกับพื้นผิว; การบิดอธิบายการเปลี่ยนรูปแบบของวัสดุ อุณหภูมิและระยะห่างให้ข้อมูลเพิ่มเติมก่อนและระหว่างการสัมผัส ผิวหลายโหมดสามารถช่วยแยกแยะการสัมผัสอ่อนโยนจากการลื่น, การกระแทก หรืออุปสรรคใกล้เคียง
ความหนาแน่นของเซนเซอร์ควรสอดคล้องกับงานที่ทำ นิ้วมืออาจต้องการความละเอียดเชิงพื้นที่สูง ในขณะที่ลำตัวอาจให้ความสำคัญกับการตรวจจับการชนแบบกว้างและการครอบคลุมที่ทนทาน
การแปลงสัญญาณและวัสดุยืดหยุ่น
เซนเซอร์แบบความจุตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุ; เซนเซอร์พีโซรีซิสทีฟเปลี่ยนความต้านทานเมื่อเกิดการบิด; วัสดุพีโซอิเล็กทริกสร้างประจุภายใต้ความเครียดแบบไดนามิก; การออกแบบแบบแสงและแม่เหล็กสรุปการบิดโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของแสงหรือสนาม
พอลิเมอร์ยืดหยุ่น, คอมโพสิตนำไฟฟ้า, ลายพิมพ์และการหุ้มอ่อนทำให้แถวอาเรย์สามารถปรับให้เข้ากับร่างกายโค้งได้ วัสดุต้องทนต่อการงอซ้ำหลายครั้ง, การสึกหรอ, เหงื่อ, ฝุ่นและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยไม่สูญเสียการสอบเทียบ
จากสัญญาณดิบสู่แผนที่ร่างกาย
แถวและคอลัมน์ของ taxel—พิกเซลสัมผัส—จะถูกสแกนและแปลงเป็นค่าดิจิทัล การปรับสัญญาณจัดการกับสัญญาณรบกวน, การเลื่อนค่าและการรบกวนข้ามช่อง การสอบเทียบทำแผนที่การตอบสนองไฟฟ้ากับปริมาณทางกายภาพ โดยมักทำแยกสำหรับแต่ละเซนเซอร์และช่วงอุณหภูมิ
โปรเซสเซอร์ edge AI สามารถตรวจจับรูปแบบการสัมผัสได้ในที่เดียว ลดความหน่วงและแบนด์วิดท์ของสายเคเบิล เครือข่ายประสาทเทียม อาจประเมินตำแหน่งการสัมผัสหรือการลื่น แต่ต้องการข้อมูลที่ครอบคลุมการบิดและการสึกหรอของเซนเซอร์
การปิดวงจรควบคุมหุ่นยนต์
ตัวควบคุมผสานข้อมูลการสัมผัสกับตำแหน่งของข้อศอก, แรง, การมองเห็นและสถานะงาน อาจทำให้หัวจับช้าลง, ปรับแรงจับ, ถอนตัวจากการสัมผัสที่ไม่คาดคิด หรือแจ้งเตือนคนใกล้เคียง คำกำหนดเวลาการตอบสนองและพฤติกรรมสำรองที่ปลอดภัยควรกำหนดก่อนเลือกโมเดล
การเรียนรู้แบบเสริมแรง สามารถฝึกนโยบายการจัดการได้ แต่ผิวอิเล็กทรอนิกส์ต้องเผยสัญญาณที่ผ่านการสอบเทียบและนโยบายต้องเคารพขีดจำกัดความปลอดภัยที่เข้มงวด
ขีดจำกัดของการวิจัยและการใช้งาน
ผิวขนาดใหญ่ต้องเผชิญกับความท้าทายด้านสายไฟ, พลังงานและการซ่อมแซม การยืดเปลี่ยนรูปทรง และ taxel ที่เสียหายอาจทำให้การวัดใกล้เคียงบิดเบี้ยว การผลิตต้นแบบในห้องปฏิบัติการที่สม่ำเสมอในระดับหุ่นยนต์มนุษย์ยังคงยาก
การประเมินควรรายงานความไว, ความล่าช้า, เวลาในการตอบสนอง, การเลื่อนค่า, อายุการใช้งานรอบ, ความละเอียดเชิงพื้นที่และประสิทธิภาพบนพื้นผิวโค้งที่ตั้งเป้า การสาธิตสัญญาณเดียวในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมไม่ได้เท่ากับการโต้ตอบประจำวันที่ทนทาน
วัสดุและกลไกการตรวจจับ
ผิวอิเล็กทรอนิกส์เป็นระบบเซนเซอร์ที่ยืดหยุ่นหรือยืดได้ออกแบบเพื่อวัดการสัมผัส, แรงกด, การบิด, อุณหภูมิ, ระยะห่าง, ความชื้น, สารเคมี หรือความเสียหายทั่วพื้นผิว เซนเซอร์พีโซรีซิสทีฟเปลี่ยนความต้านทานเมื่อบิด; เซนเซอร์ความจุเปลี่ยนรูปทรงและค่าความจุ; วัสดุพีโซอิเล็กทริกและไตรบอยอิเล็กทริกสร้างประจุจากการเคลื่อนที่; กลไกแสง, แม่เหล็กและไอออนิกสนับสนุนการแลกเปลี่ยนอื่น ๆ ผิวที่ใช้งานได้จริงผสานองค์ประกอบการตรวจจับกับตัวนำยืดหยุ่น, การหุ้ม, การส่งสัญญาณ, และการติดตั้งบนหุ่นยนต์เคลื่อนที่โค้ง
ประสิทธิภาพไม่ได้สรุปเป็นค่าความไวเดียว ตัวชี้วัดที่เกี่ยวข้องรวมถึงความละเอียดเชิงพื้นที่, ช่วงแรงกดหรือการบิด, ความล่าช้า, การเลื่อนค่า, เวลาในการตอบสนองและฟื้นฟู, ความสามารถทำซ้ำ, การรบกวนข้ามช่อง, ความทนทาน, การขึ้นกับอุณหภูมิ, และสัญญาณที่ตรวจจับได้ต่ำสุด วัสดุอ่อนสามารถจำลองการสัมผัสของมนุษย์ได้แต่จะเกิดความอ่อนล้า, แยกชั้น หรือเปลี่ยนการสอบเทียบ อาเรย์หนาแน่นทำให้ต้องการสายไฟและข้อมูลจำนวนมาก ส่งผลให้ต้องใช้การทำมัลติพลักซ์, อิเล็กทรอนิกส์ในท้องถิ่น, การเชื่อมต่อไร้สาย หรือการเข้ารหัสเหตุการณ์แบบนิวโรมอร์ฟิก พลังงานและความร้อนต้องสอดคล้องกับการสัมผัสที่ปลอดภัย
การรับรู้, การสอบเทียบ, และการควบคุมหุ่นยนต์
สัญญาณดิบต้องการการแก้ไขฐาน, การกรอง, การสอบเทียบ, การระบุตำแหน่ง, และการแปลงเป็นคุณลักษณะการสัมผัส โมเดลสามารถจำแนกวัสดุ, ตรวจจับการลื่น, ประเมินการกระจายแรง, หรือสรุปความเสถียรของการจับ แต่ข้อมูลการฝึกต้องครอบคลุมรูปทรงของหุ่นยนต์, ความเร็ว, การสึกหรอ, อุณหภูมิ, วัตถุ, และมุมการสัมผัส ต้องแยกเซสชันเซนเซอร์และหน่วยกายภาพระหว่างการฝึกและการทดสอบเพื่อหลีกเลี่ยงการเรียนรู้ข้อบกพร่องของผิวหนึ่งชุด การอ้างอิงจริงจากแผ่นแรง, ระบบจับภาพการเคลื่อนที่, หรืออุปกรณ์ควบคุมควรรวมถึงความไม่แน่นอน
วงจรควบคุมต้องสอดคล้องกับความหน่วงและความน่าเชื่อถือของเซนเซอร์ มานิพูลเลเตอร์สามารถลดแรงจับเมื่อการลื่นหายไปหรือหยุดเมื่อการสัมผัสที่ไม่คาดคิดเกินเกณฑ์ แต่ความปลอดภัยไม่ควรพึ่งพาโมเดลผิวที่เรียนรู้เพียงอย่างเดียว ใช้การควบคุมแรงบิด, ตำแหน่ง, และฉุกเฉินแยกกัน กำหนดพฤติกรรมสำหรับ taxel ที่เสีย, พื้นที่ที่ตัดการเชื่อมต่อ, การอิ่มตัว, และการเลื่อนค่า การสอบเทียบและการทดสอบตนเองควรสังเกตได้โดยหุ่นยนต์ ไม่ใช่การถือว่าข้อมูลที่หายไปเป็นศูนย์การสัมผัส
การผลิต, ความปลอดภัย, และการใช้งาน
การใช้งานรวมถึงการจับอ่อนโยน, การตรวจจับการชน, โปรสเธติก, การควบคุมระยะไกล, การฟื้นฟู, และการโต้ตอบระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ การผลิตต้องการวัสดุที่ทำซ้ำได้, การซ่อมแซม, การทำความสะอาด, ความเข้ากันได้กับชีวภาพเมื่อจำเป็น, ความน่าเชื่อถือของตัวเชื่อมต่อ, และโมดูลที่สามารถเปลี่ยนได้ ควรประเมินรอบการทำซ้ำและสารปนเปื้อนจริง ไม่ใช่เพียงการสาธิตในห้องปฏิบัติการสั้น ๆ ข้อมูลผิวสามารถเปิดเผยรูปแบบการสัมผัสหรือข้อมูลสุขภาพ ดังนั้นการเข้าถึงและการเก็บรักษาต้องมีการควบคุม ผิวอิเล็กทรอนิกส์ขยายการรับรู้ของหุ่นยนต์ แต่พฤติกรรมที่ปลอดภัยเกิดจากการรวมกันของการตรวจจับ, การประมาณค่า, การควบคุม, ระบบกลไก, และโครงสร้างการกำกับดูแลทั้งหมด
ตัวอย่างการทำงาน: การควบคุมการจับด้วยการสัมผัส
หัวจับหุ่นยนต์ใช้แถวอาเรย์แรงกดและแรงเฉือนที่ยืดหยุ่นเพื่อตรวจจับการสัมผัสและการลื่นเริ่มต้น การสอบเทียบครอบคลุมแรง, วัสดุของวัตถุ, อุณหภูมิ, ความโค้ง, และรอบการทำซ้ำ โมเดลประเมินการลื่นจากรูปแบบเชิงเวลาโดยเปรียบเทียบกับเกณฑ์เชิงกำหนด การฝึกและทดสอบวัตถุ, ผิวเซนเซอร์, และเซสชันจะแยกกัน การประเมินรายงานเวลานำของการตรวจจับการลื่น, การปล่อยผิดพลาด, ความผิดพลาดของแรง, ความทนทานต่อ taxel ที่เสีย, และประสิทธิภาพหลังการสึกหรอและการทำความสะอาด
ตัวควบคุมสามารถปรับแรงจับภายในขอบเขตที่รับรองได้ แต่การควบคุมแรงบิดและฉุกเฉินแยกกันช่วยป้องกันการบาดเจ็บหรือการหล่นของวัตถุอันตราย การทดสอบตนเองทำแผนที่พื้นที่เซนเซอร์ที่ล้มเหลวและปฏิเสธการทำงานเมื่อการครอบคลุมไม่เพียงพอ สัญญาณและเฟิร์มแวร์มีเวอร์ชันและตรวจสอบการเลื่อนค่า ข้อมูลการสัมผัสของมนุษย์ไม่ถูกเก็บไว้เกินความจำเป็น การเปลี่ยนผิวทำให้ต้องสอบเทียบใหม่และตรวจสอบ ความโมเดลสัมผัสสนับสนุนการจับ แต่ไม่สรุปความเจ็บปวด, อารมณ์, หรือเจตนาของมนุษย์จากการสัมผัส
หลักฐานการนำไปใช้และความพร้อมในการปฏิบัติการ
การตัดสินใจผลิตต้องการมากกว่าการสาธิตที่ประสบความสำเร็จ กำหนดผู้ใช้เป้าหมาย, สภาพแวดล้อมการทำงาน, อินพุต, เอาต์พุต, การพึ่งพา, เจ้าของ, และผลของความล้มเหลวที่สำคัญแต่ละประการ สร้างฐานข้อมูลที่ทำซ้ำได้และชุดการประเมินที่มีเวอร์ชันก่อนการปรับแต่ง ทดสอบกรณีทั่วไป, เงื่อนไขขอบเขต, อินพุตที่ผิดรูปหรือหายไป, การเปลี่ยนแปลงการกระจาย, การหยุดทำงานของการพึ่งพา, การใช้ผิดวิธี, และกลุ่มหรือสภาพแวดล้อมที่อาจไม่ได้รับการสนับสนุนอย่างเพียงพอ วัดคุณภาพงานพร้อมกับการสอบเทียบหรือความไม่แน่นอน, ความหน่วง, ปริมาณข้อมูลต่อวินาที, ต้นทุนทรัพยากร, ความเข้าถึง, ความเป็นส่วนตัว, และความปลอดภัย บันทึกการแปลงและเกณฑ์ทุกอย่างเพื่อให้ผู้ตรวจสอบอิสระสามารถทำซ้ำผลลัพธ์และแยกแยะหลักฐานจากต้นแบบที่ดึงดูด
ก่อนเปิดใช้งาน ให้กำหนดอำนาจสำหรับการปล่อย, ข้อยกเว้น, การเปลี่ยนแปลง, การย้อนกลับ, และการยกเลิก ใช้การเปิดตัวแบบขั้นตอน, รักษาการสำรองที่ปลอดภัย, และตรวจสอบการเฝ้าระวังด้วยการฉีดข้อผิดพลาดโดยเจตนา การสื่อสารเชิงปฏิบัติการควรเปิดเผยคุณภาพอินพุต, พฤติกรรมเอาต์พุต, เวอร์ชันของโมเดลหรือกฎ, สถานะการพึ่งพา, การแทรกแซงของมนุษย์, และผลลัพธ์ที่ยืนยันโดยไม่เก็บข้อมูลที่ละเอียดอ่อนที่ไม่จำเป็น กำหนดเกณฑ์การแจ้งเตือนและผู้รับผิดชอบการตอบสนอง จากนั้นตรวจสอบหลักฐานจากโลกจริงหลังการใช้งานแทนการสันนิษฐานว่าประสิทธิภาพออฟไลน์จะคงอยู่ ประเมินใหม่เมื่อแหล่งข้อมูล, ผู้ใช้, โมเดล, ผู้จำหน่าย, นโยบาย, ฮาร์ดแวร์, หรือเป้าหมายเปลี่ยนแปลง ระบบที่ดูแลต้องมีขั้นตอนการกู้คืน, การเรียนรู้จากเหตุการณ์, การลบและการเก็บรักษาที่บันทึกไว้, และจุดชัดเจนที่ควรปิดใช้งานหรือเปลี่ยนทดแทน
คำถามที่พบบ่อย
ผิวอิเล็กทรอนิกส์เหมือนกับผิวมนุษย์เทียมหรือไม่?
มันสามารถเลียนแบบคุณสมบัติการรับรู้หรือกลไกบางอย่างได้ แต่ไม่สามารถจำลองหน้าที่ชีวภาพทั้งหมดของผิวมนุษย์ได้
ทำไมหุ่นยนต์จึงต้องการการสัมผัสหากมีกล้องอยู่แล้ว?
การมองเห็นไม่สามารถสรุปแรงสัมผัส, เหตุการณ์ลื่น, หรือการโต้ตอบที่ถูกบังได้อย่างเชื่อถือได้ การตรวจจับแบบสัมผัสให้หลักฐานทางกายภาพในท้องถิ่น
แหล่งอ้างอิงหลัก
