นักวิจัยนำสัมผัสมาใช้ในนิ้วหุ่นยนต์

นักวิจัยจาก Columbia Engineering ได้นำสัมผัสมาใช้ในนิ้วหุ่นยนต์ที่พัฒนาขึ้นใหม่ ซึ่งสามารถระบุตำแหน่งสัมผัสได้อย่างแม่นยำสูงบนพื้นผิวที่มีความโค้งหลายจุด การพัฒนานี้ทำให้หุ่นยนต์ใกล้เคียงกับการมีสัมผัสเหมือนมนุษย์มากขึ้น

Matei Ciocarlie เป็นรองศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องจักรและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ Ciocarlie เป็นผู้นำการวิจัยร่วมกับ Ioannis (John) Kymissis ศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

“มีช่องว่างระหว่างเซ็นเซอร์สัมผัสแบบยืนเดี่ยวและนิ้วหุ่นยนต์ที่มีการติดตั้งเซ็นเซอร์สัมผัสอย่างสมบูรณ์ – การสัมผัสยังคงไม่แพร่หลายในหุ่นยนต์” Ciocarlie กล่าว “ในงานวิจัยนี้ เราได้แสดงนิ้วหุ่นยนต์ที่มีการสัมผัสและตรวจจับแรงปกติเหนือพื้นผิว 3 มิติที่ซับซ้อน”

วิธีการปัจจุบันที่ใช้ในการติดตั้งเซ็นเซอร์สัมผัสในนิ้วหุ่นยนต์เผชิญกับความท้าทายหลายประการ เช่น การปิดพื้นผิวที่มีความโค้งหลายจุด มีจำนวนเส้นลวดสูง และความยากในการติดตั้งเซ็นเซอร์ในนิ้วหุ่นยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้ในมือหุ่นยนต์ที่มีการสัมผัสได้ ทีมวิจัยจาก Columbia Engineering ได้พัฒนาแนวทางใหม่โดยใช้สัญญาณที่ทับซ้อนกันจากตัวส่งและตัวรับสัญญาณที่ฝังอยู่ในชั้นเวฟไกด์ที่ใสที่ครอบคลุมพื้นที่การทำงานของนิ้ว

ทีมวิจัยสามารถรับชุดข้อมูลสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของนิ้วหุ่นยนต์เมื่อมีการสัมผัส โดยการวัดการถ่ายโอนแสงระหว่างตัวส่งและตัวรับสัญญาณทุกจุด ข้อมูลที่มีประโยชน์ เช่น ตำแหน่งการสัมผัสและแรงปกติที่ใช้ สามารถถูกดึงออกมาจากข้อมูลโดยใช้วิธีการเรียนรู้ของเครื่องจักรที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล ทีมวิจัยสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้แบบจำลองการวิเคราะห์

โดยวิธีนี้ ทีมวิจัยได้พัฒนานิ้วหุ่นยนต์ที่มีการติดตั้งเซ็นเซอร์สัมผัสอย่างสมบูรณ์แบบและมีจำนวนเส้นลวดต่ำ ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการผลิตที่สามารถเข้าถึงได้และสามารถติดตั้งเข้ากับมือหุ่นยนต์ที่มีการสัมผัสได้อย่างง่ายดาย

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ออนไลน์ใน IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

ส่วนแรกของโครงการคือการใช้แสงเพื่อสัมผัส มีชั้นซิลิโคนใสใต้ “ผิว” ของนิ้ว และทีมวิจัยส่องแสงเข้าไปในนั้นจาก LED มากกว่า 30 ตัว นิ้วยังมีโฟโตไดโอดมากกว่า 30 ตัวที่รับผิดชอบในการวัดว่าแสงกระจายไปที่ไหน เมื่อนิ้วสัมผัสกับอะไรสักอย่าง ผิวจะเปลี่ยนแปลงรูปและแสงจะเคลื่อนไปในชั้นซิลิโคนใสใต้ผิว นักวิจัยวัดว่าแสงไปจาก LED ทุกตัวไปยังโฟโตไดโอดทุกตัวเพื่อให้ได้สัญญาณมากกว่า 1,000 สัญญาณ แต่ละสัญญาณมีข้อมูลเกี่ยวกับการสัมผัส

“นิ้วมนุษย์มีข้อมูลการสัมผัสที่มีรายละเอียดมาก – มากกว่า 400 เซ็นเซอร์สัมผัสขนาดเล็กในแต่ละเซนติเมตรของผิว!” Ciocarlie กล่าว “นั่นเป็นตัวอย่างที่ผลักดันให้เราพยายามรับข้อมูลให้มากที่สุดจากนิ้วหุ่นยนต์ของเรา มันสำคัญที่จะต้องแน่ใจว่าทุกการสัมผัสทุกด้านของนิ้วถูกครอบคลุม – เราได้สร้างนิ้วหุ่นยนต์ที่มีการสัมผัสโดยไม่มีจุดบอด”

ส่วนที่สองของโครงการคือทีมวิจัยออกแบบข้อมูลให้ถูกประมวลผลโดยอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องจักร ข้อมูลมีความซับซ้อนและไม่สามารถตีความได้โดยมนุษย์ แต่วิธีการเรียนรู้ของเครื่องจักรในปัจจุบันสามารถเรียนรู้ที่จะดึงข้อมูลที่เฉพาะเจาะจง เช่น ตำแหน่งการสัมผัส สิ่งที่สัมผัสกับนิ้ว และแรงที่ใช้

“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าเครือข่ายประสาทเทียมลึกสามารถดึงข้อมูลนี้ออกมาได้ด้วยความแม่นยำสูง” Kymissis กล่าว “อุปกรณ์ของเราจริงๆ แล้วเป็นนิ้วหุ่นยนต์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ร่วมกับอัลกอริทึม AI ตั้งแต่แรก”

ทีมวิจัยยังออกแบบนิ้วให้สามารถใช้กับมือหุ่นยนต์ได้ นิ้วสามารถรวบรวมสัญญาณเกือบ 1,000 สัญญาณ แต่ต้องการแค่เคเบิล 14 สายเพียงเส้นเดียวที่เชื่อมต่อกับมือ ไม่ต้องใช้อิเล็กทรอนิกส์ภายนอกที่ซับซ้อนในการทำงาน

ทีมวิจัยปัจจุบันมีมือหุ่นยนต์ 2 มือที่กำลังถูกติดตั้งกับนิ้ว และพวกเขาจะพยายามใช้มือเหล่านั้นเพื่อแสดงความสามารถในการจัดการที่มีการสัมผัส

“การควบคุมหุ่นยนต์ที่มีการสัมผัสเป็นสิ่งจำเป็นในขณะนี้ในด้านการผลิตและการจัดการ物流 และเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ในระยะยาวจำเป็นต่อการเปิดใช้งานการช่วยเหลือส่วนบุคคลของหุ่นยนต์ในด้านอื่นๆ เช่น การดูแลสุขภาพหรือโดเมนการบริการ” Ciocarlie กล่าว