Исследователи из Columbia Engineering представили новый тип роботизированного пальца с чувством осязания. Их палец может локализовать прикосновение с очень высокой точностью – <1 мм – по большой, изогнутой поверхности.
[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]
«Существует разрыв между автономными тактильными датчиками и полностью интегрированными тактильными пальцами – тактильные ощущения все еще далеки от повсеместного использования в роботизированных манипуляциях», – говорит Матей Чиокарли, доцент кафедры машиностроения и информатики, который возглавлял это исследование в сотрудничестве с профессором электротехники Иоаннис (Джон) Kymissis. «Мы представили роботизированный палец с несколькими изгибами с точной локализацией прикосновения и нормальным обнаружением силы на сложных трехмерных поверхностях».
Нынешние методы создания сенсорных датчиков оказались сложными для интеграции в пальцы робота из-за множества проблем, в том числе из-за сложности покрытия многоугольных поверхностей, большого количества проводов или из-за сложности установки в маленькие кончики пальцев, что не позволяет использовать их в ловких руках. Команда Columbia Engineering разработала новый подход: новое использование перекрывающихся сигналов от излучателей и приемников света, встроенных в прозрачный волноводный слой, который покрывает функциональные области пальца.
Измеряя перенос света между каждым излучателем и приемником, они показали, что могут получить очень богатый набор данных сигнала, который изменяется в ответ на деформацию пальца в результате прикосновения. Затем они продемонстрировали, что методы глубокого обучения, основанные исключительно на данных, могут извлекать полезную информацию из данных, включая местоположение контакта и приложенную нормальную силу, без необходимости в аналитических моделях. Их конечный результат – полностью интегрированный сенсорный роботизированный палец с небольшим количеством проводов, созданный с использованием доступных методов производства и предназначенный для легкой интеграции в ловкие руки.
Исследование, опубликованное онлайн в IEEE / ASME транзакции по мехатронике, демонстрирует два аспекта лежащей в основе технологии, которые объединяются для получения новых результатов. Во-первых, в этом проекте исследователи используют свет для ощущения прикосновения. Под «кожей» у их пальца есть слой из прозрачного силикона, в который они освещают более 30 светодиодов. Палец также имеет более 30 фотодиодов, которые измеряют, как свет отражается вокруг. Всякий раз, когда палец касается чего-либо, его кожа деформируется, поэтому свет перемещается в прозрачном слое под ним. Измеряя, сколько света идет от каждого светодиода к каждому диоду, исследователи получают около 1000 сигналов, каждый из которых содержит некоторую информацию о соприкосновении. Поскольку свет может также отражаться в искривленном пространстве, эти сигналы могут покрывать сложную трехмерную форму, например кончик пальца.
«Человеческий палец обеспечивает невероятно богатую контактную информацию – более 400 крошечных сенсорных датчиков на каждый квадратный сантиметр кожи!» говорит Чокарли. «Именно эта модель подтолкнула нас к тому, чтобы мы попытались получить как можно больше данных от нашего пальца. Было важно убедиться, что все контакты со всех сторон пальца были закрыты – мы по существу построили тактильный роботизированный палец без слепых зон».
Во-вторых, команда разработала эти данные для обработки с помощью алгоритмов машинного обучения. Поскольку существует так много сигналов, все они частично перекрывают друг друга, данные слишком сложны, чтобы их могли интерпретировать люди. К счастью, современные методы машинного обучения могут научиться извлекать информацию, которая волнует исследователей: где касаются пальца, что касается пальца, какое усилие прикладывается и т. д.
«Наши результаты показывают, что глубокая нейронная сеть может извлекать эту информацию с очень высокой точностью», – говорит Кимисис. «Наше устройство – это действительно тактильный палец, разработанный с самого начала для использования в сочетании с алгоритмами ИИ».
Кроме того, команда создала палец, чтобы его и другие можно было надеть на руки робота. Интегрировать систему в руку очень просто: благодаря этой новой технологии палец собирает почти 1000 сигналов, но ему нужен только 14-проводной кабель, соединяющий его с рукой и он не требует сложной встроенной электроники. У исследователей уже есть две ловкие руки (способные захватывать и манипулировать объектами) в своей лаборатории, оснащенные этими пальцами – одна рука имеет три пальца, а другая четыре. В ближайшие месяцы команда будет использовать эти руки, чтобы попытаться продемонстрировать ловкие манипуляционные способности, основанные на тактильных и проприоцептивных данных.
Конечный результат – полностью интегрированный сенсорный роботизированный палец с небольшим количеством проводов и легкодоступными производственными методами, разработанный для легкой интеграции в ловкие манипуляторы. Другими словами, пальцы можно установить на руки практически любого робота.
Источник:
Школа инженерных и прикладных наук Колумбийского университета
Фото: Adobe Stock