Исследователи из Columbia Engineering объявили сегодня, что они представили новый тип роботизированного пальца с чувством осязания. Их палец может локализовать прикосновение с очень высокой точностью — <1 мм — по большой, изогнутой поверхности, во многом как его человеческий аналог.
«Уже давно 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 руководил этим работать в сотрудничестве с профессором электротехники Иоаннис (Джон) Kymissis. «В этой статье мы продемонстрировали 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 также может 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. Очень важно было 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 других 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-проводный 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.
«Ловкие манипуляции с роботами необходимы сейчас в таких областях, как производство и логистика, и являются одной из технологий, которые в более долгосрочной перспективе необходимы для оказания персональной роботизированной помощи в других областях, таких как сферы здравоохранения или сферы услуг», — добавляет Чокарли.
Исследование называется «Сенсорный роботизированный палец-робот с датчиком касания, управляемым датасайвером, через перекрывающиеся световые сигналы».