Дослідники надають відчуття дотику роботизованому пальцю

Дослідники в Columbia Engineering надали відчуття дотику новому розробленому роботизованому пальцю. Він здатний локалізувати дотик з надзвичайно високою точністю над великими, багатокривими поверхнями. Ця нова розробка робить робототехніку на одному крок ближче до досягнення людського рівня.

Matei Ciocarlie є асоційованим професором механічної інженерії та комп’ютерних наук. Ciocarlie очолив дослідження у співпраці з професором електротехніки Ioannis (Джоном) Kymissis.

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

Поточні методи, які використовуються для інтеграції датчиків дотику в роботизовані пальці, стикаються з багатьма викликами. Це складно покрити багатокриві поверхні, велика кількість дротів та складнощі з розміщенням датчиків у малих кінчиках пальців, що перешкоджає їхньому використанню в спритних руках. Команда Columbia Engineering подолала ці виклики, розробивши новий підхід: вони використали перекриваючі сигнали від світлових випромінювачів та приймачів, які впроваджені у прозорому шарі хвилеводу, що покриває функціональні області пальця.

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

За допомогою цього методу дослідницька команда розробила повністю інтегрований, сенсоризований роботизований палець, який має низьку кількість дротів. Він був побудований за допомогою доступних методів виробництва та може бути легко інтегрований у спритні руки.

Дослідження було опубліковано в інтернеті у IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

Перша частина проекту полягала у використанні світла для сприйняття дотику. Є шар прозорого силікону під “шкірою” пальця, і команда проникла світло у нього з більш ніж 30 світлодіодів. Палець також має понад 30 фотодіодів, які відповідають за вимірювання того, як світло розбігається. 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 із цих сигналів містить інформацію про контакт.

“Людський палець забезпечує надзвичайно багату контактну інформацію – понад 400 дрібних датчиків дотику на кожному квадратному сантиметрі шкіри!” – говорить Ciocarlie. “Це була модель, 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 пальця, що торкається пальця, та якої сили прикладено.

“Наші результати показують, що глибока нейронна мережа може витягнути цю інформацію з дуже високою точністю”, – говорить Kymissis. “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, який з’єднує його з рукою. Також не потрібні складні зовнішні електронні компоненти для його функціонування.

Команда зараз має дві спритні руки, які інтегруються з пальцями, і вони будуть намагатися використовувати руки для демонстрації спритних маніпуляційних можливостей.

“Спритна роботизована маніпуляція потрібна зараз у галузях, таких як виробництво та логістика, і це одна з технологій, яка в довгостроковій перспективі потрібна для забезпечення особистої роботизованої допомоги в інших галузях, таких як охорона здоров’я чи сервісні домени”, – говорить Ciocarlie.