Дослідники надають роботизованому пальцю відчуття дотику

Дослідники з Колумбійського університету надали роботизованому пальцю відчуття дотику. Він能够 локалізувати дотик з дуже високою точністю на великих, багатокривих поверхнях. Ця нова розробка робить робототехніку на одному крок ближче до досягнення людського рівня.

Матеї Чокарліє є асоційованим професором механічної інженерії та комп’ютерних наук. Чокарліє очолив дослідження у співпраці з професором електротехніки Іоанном (Джоном) Кіміссом.

“Тривалий час існував розрив між окремими тактильними датчиками та повністю інтегрованими тактильними пальцями – тактильне сприйняття все ще далеко від універсального використання в роботизованому керуванні”, – говорить Чокарліє. “У цій статті ми продемонстрували багатокривий роботизований палець з точною локалізацією дотику та виявленням нормальної сили над складними 3D-поверхнями”.

Поточні методи інтеграції датчиків дотику в роботизовані пальці стикаються з багатьма проблемами. Це складно покрити багатокриві поверхні, велика кількість проводів, складнощі розміщення датчиків у малих кінчиках пальців, що перешкоджає використанню в дexterous руках. Команда Колумбійського університету подолала ці проблеми, розробивши новий підхід: вони використали перекриваючі сигнали від світлових емітерів та приймачів, які були вбудовані у прозорий шар, що покриває функціональні області пальця.

Команда змогла отримати набір даних, який змінюється у відповідь на деформацію пальця через дотик. Вони зробили це, вимірявши транспорт світла між кожним емітером та приймачем. Корисна інформація, така як місце контакту та прикладена нормальна сила, була потім витягнута з даних за допомогою даних керованих методів глибокого навчання. Команда змогла зробити це без використання аналітичних моделей.

За допомогою цього методу дослідницька команда розробила повністю інтегрований, сенсоризований роботизований палець з низькою кількістю проводів. Він був побудований за допомогою доступних методів виробництва та може бути легко інтегрований у дexterous руки.

Дослідження було опубліковано в онлайн-виданні IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

Перша частина проекту полягала у використанні світла для сприйняття дотику. Є шар прозорого силікону під “шкірою” пальця, і команда направила світло у нього з більш ніж 30 світлодіодів. Палець також має понад 30 фотодіодів, які відповідають за вимірювання того, як світло розсіюється. Як тільки палець вступає у контакт з чимось, шкіра деформується, а світло рухається у прозорому шарі під шкірою. Дослідники потім виміряють, скільки світла йде від кожного світлодіоду до кожного діоду, щоб отримати близько 1000 сигналів. Кожен з цих сигналів містить інформацію про контакт.

“Людський палець забезпечує надзвичайно багату інформацію про контакт – понад 400 малих датчиків дотику на кожному квадратному сантиметрі шкіри!” – говорить Чокарліє. “Це було тією моделлю, яка спонукала нас спробувати отримати якомога більше даних від нашого пальця. Було критично важливо забезпечити, щоб усі контакти на всіх сторонах пальця були покриті – ми фактично побудували тактильний роботизований палець без сліпих плям”.

Друга частина проекту полягала у тому, щоб команда розробила дані для обробки алгоритмами машинного навчання. Дані надзвичайно складні та не можуть бути інтерпретовані людьми. Однак сучасні методи машинного навчання можуть вивчити витягування конкретної інформації, такої як місце дотику, що торкається пальця, та кількість прикладеної сили.

“Наші результати показують, що глибока нейронна мережа може витягнути цю інформацію з дуже високою точністю”, – говорить Кімісс. “Наш пристрій є справжнім тактильним пальцем, розробленим з самого початку для використання у поєднанні з алгоритмами штучного інтелекту”.

Команда також розробила палець так, щоб його можна було використовувати на роботизованих руках. Палець здатний зібрати майже 1000 сигналів, але йому потрібно лише один 14-дротовий кабель для підключення до руки. Також не потрібна складна електроніка поза палцем для його функціонування.

Команда зараз має дві дexterous руки, які інтегруються з пальцями, і вони планують використовувати руки для демонстрації можливостей дexterous маніпулювання.

“Дexterous роботизоване керування потрібне зараз у таких галузях, як виробництво та логістика, і є однією з технологій, які в довгостроковій перспективі потрібні для забезпечення особистої роботизованої допомоги в інших галузях, таких як охорона здоров’я чи сервісні домени”, – говорить Чокарліє.