Araştırmacılar Robotic Parmaklara Dokunma Duyusunu Getirdi

Columbia Engineering’deki araştırmacılar, yeni geliştirilen bir robotic parmağa dokunma duyusunu getirdiler. Büyük, çok eğrili yüzeyler üzerinde dokunma duyusunu cực yüksek bir doğrulukla belirleyebiliyor. Yeni gelişme, robotların insan benzeri bir statüye ulaşmasına bir adım daha yakınlaştırdı.

Matei Ciocarlie, mekanik mühendisliği ve bilgisayar bilimi bölümlerinde yardımcı profesör. Ciocarlie, araştırmanın liderliğini Elektrik Mühendisliği Profesörü Ioannis (John) Kymissis ile işbirliği içinde yaptı.

“Tek başına dokunma sensörleri ve tamamen entegre edilmiş dokunma parmakları arasında uzun süredir bir boşluk vardı – dokunma algılama masih robotik manipülasyonda evrensel değil,” diyor Ciocarlie. “Bu çalışmada, karmaşık 3D yüzeyler üzerinde doğru dokunma lokalizasyonu ve normal kuvvet algılama yeteneğine sahip çok eğrili bir robotic parmağı gösterdik.”

Robotik parmaklara dokunma sensörleri entegre etme yöntemleri birçok zorluğu içeriyor. Çok eğrili yüzeyleri kapsamak zor, yüksek bir kablo sayısı var ve sensörleri küçük parmak uçlarına sığdırma zorluğu, bunları yetenekli ellere kullanmayı engelliyor. Columbia Engineering ekibi, bu zorlukların etrafından, parmağın işlevsel alanlarını kapsayan bir transparent waveguide katmanına gömülü ışık emicileri ve alıcılarından gelen sinyalleri kullanarak bir yeni yaklaşım geliştirdi.

Ekibin, parmağın dokunma nedeniyle deformasyonuna tepki olarak değişen bir sinyal veri kümesini elde etmesi mümkün oldu. Bunu, her bir emici ve alıcı arasındaki ışık taşımasını ölçerek yaptılar. Kullanıcılar, veri-driven derin öğrenme yöntemlerini kullanarak, temas konumu ve uygulanan normal kuvvet gibi faydalı bilgileri veriden çıkardılar. Ekibin, bunu analitik modeller olmadan yapması mümkün oldu.

Bu yöntemle, araştırma ekibi, düşük bir kablo sayısına sahip, tamamen entegre edilmiş ve sensörlü bir robot parmağı geliştirdi. Bu, erişilebilir üretim yöntemleri kullanılarak inşa edildi ve yetenekli ellere kolayca entegre edilebilir.

Çalışma, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics dergisinde online olarak yayımlandı.

Projenin ilk kısmı, dokunma duyusunu algılamak için ışığın kullanılmasıydı. Parmakların “derisi” altında, bir transparent silikon katmanı vardı ve ekip bu katmana 30’dan fazla LED’den ışık yolladı. Parmak, ışığın nasıl davrandığını ölçmekten sorumlu olan 30’dan fazla fotodiyot içeriyordu. Parmak bir şeye temas ettiğinde, cilt deforme oldu ve ışığın altındaki transparent katmanda ışık hareket etti. Araştırmacılar, her bir LED’den her bir diyota giden ışığın miktarını ölçerek yaklaşık 1.000 sinyal elde ettiler. Her bir sinyal, temas hakkında bilgi içeriyordu.

“İnsan parmağı, her santimetre kare skin için 400’den fazla küçük dokunma sensörü ile inanılmaz derecede zengin temas bilgileri sağlar!” diyor Ciocarlie. “Bu, elimizden geldiğince çok veri almaya çalışmamız için bizi motive eden modeldi. Tüm temasların parmağın tüm yönlerinde kapsanmasının kritik olması gerektiği açıktı – esasen hiç kör noktası olmayan bir dokunma robot parmağı inşa ettik.”

Projenin ikinci kısmı, ekibin verilerin makine öğrenimi algoritmaları tarafından işlenmesini tasarlamasını içeriyordu. Veriler son derece karmaşıktır ve insanlar tarafından yorumlanamaz. Ancak, mevcut makine öğrenimi teknikleri, temasın nerede olduğu, parmağa neyin temas ettiği ve ne kadar kuvvet uygulandığı gibi belirli bilgileri çıkarmayı öğrenebilir.

“Sonuçlarımız, bir derin sinir ağı’nın bu bilgileri çok yüksek bir doğrulukla çıkarabileceğini gösteriyor,” diyor Kymissis. “Cihazımız, gerçekten de başından itibaren AI algoritmaları ile birlikte kullanılmak üzere tasarlanmış bir dokunma parmağıdır.”

Ekibin, parmağı da robotik ellere takılmak üzere tasarladığı görüldü. Parmak, yaklaşık 1.000 sinyal toplayabiliyor, ancak ellere bağlanmak için yalnızca bir 14 kablolu kablo gerektiriyor. Ayrıca işlevini gerçekleştirmesi için karmaşık harici elektroniklere gerek yok.

Ekibin şu anda, parmaklarla entegre edileceği iki yetenekli eli var ve elleri, yetenekli manipülasyon yeteneklerini göstermek için kullanmayı planlıyorlar.

“Yetenekli robotik manipülasyon, şu anda üretim ve lojistik gibi alanlarda ihtiyaç duyuluyor ve daha uzun vadede, sağlık veya hizmet alanları gibi diğer alanlarda kişisel robotik asistanlık ermögilmek için gereken teknolojilerden biridir,” diyor Ciocarlie.