Pirštų formos jutiklis leidžia sukurti vikresnius robotus

Adamas Zewe | MIT naujienos

Įsivaizduokite, kad viena ranka suimate sunkų daiktą, pavyzdžiui, vamzdžio veržliaraktį. Tikėtina, kad veržliaraktį suimtumėte visais pirštais, o ne tik pirštų galiukais. Jutimo receptoriai jūsų odoje, einantys per visą kiekvieno piršto ilgį, siųstų informaciją į jūsų smegenis apie įrankį, kurį sugriebiate.

Robotinėje rankoje lytėjimo jutikliai, naudojantys kameras informacijai apie sučiuptus objektus gauti, yra maži ir plokšti, todėl dažnai būna pirštų galiukuose. Šie robotai savo ruožtu naudoja tik pirštų galiukus, kad sugriebtų objektus, paprastai gnybdami. Tai riboja manipuliavimo užduotis, kurias jie gali atlikti.

MIT mokslininkai sukūrė fotoaparatu pagrįstą jutiklinį jutiklį, kuris yra ilgas, išlenktas ir žmogaus piršto formos. Jų prietaisas užtikrina didelės raiškos lytėjimo jutimą dideliame plote. Jutiklis, vadinamas GelSight Svelte, naudoja du veidrodžius, kad atspindėtų ir laužytų šviesą, kad viena kamera, esanti jutiklio apačioje, galėtų matyti visą piršto ilgį.

Be to, mokslininkai sukūrė piršto formos jutiklį su lanksčiu stuburu. Matuodami, kaip stuburas lenkiasi, kai pirštas paliečia objektą, jie gali įvertinti jutiklį veikiančią jėgą.

Jie naudojo „GelSight Svelte“ jutiklius, kad sukurtų robotinę ranką, galinčią sugriebti sunkų objektą taip, kaip tai padarytų žmogus, naudodama visą visų trijų pirštų jutimo sritį. Ranka taip pat gali atlikti tuos pačius griebtuvus, įprastus tradiciniams robotams griebtuvams.

Šiame GIF rodoma robotinė ranka, kurioje yra trys piršto formos GelSight Svelte jutikliai. Jutikliai, užtikrinantys didelės skiriamosios gebos lytėjimo jutimą dideliame plote, leidžia ranka atlikti kelis griebimus, įskaitant suspaudimus, kurie naudoja tik pirštų galiukus, ir galingą griebtuvą, kuris naudoja visą visų trijų pirštų jutimo sritį. Kreditas: tyrėjų sutikimas

„Kadangi mūsų naujasis jutiklis yra žmogaus piršto formos, galime jį naudoti norėdami atlikti įvairių tipų griebtuvus įvairioms užduotims atlikti, o ne viskam naudoti griebtuvus. Su lygiagrečiu žandikaulio griebtuvu galite nuveikti tik tiek. Mūsų jutiklis tikrai atveria naujų galimybių įvairioms manipuliavimo užduotims, kurias galėtume atlikti su robotais“, – sako Alanas (Jialiang) Zhao, mechanikos inžinerijos absolventas ir pagrindinis straipsnio apie GelSight Svelte autorius.

Zhao parašė straipsnį su vyresniuoju autoriumi Edwardu Adelsonu, Johnu ir Dorothy Wilsonu, Smegenų ir pažinimo mokslų katedros regėjimo mokslų profesoriumi ir Kompiuterių mokslo ir dirbtinio intelekto laboratorijos (CSAIL) nariu. Tyrimas bus pristatytas IEEE konferencijoje apie intelektualius robotus ir sistemas.

Veidrodinis veidrodis

Lytėjimo jutikliuose naudojamus fotoaparatus riboja jų dydis, objektyvų židinio nuotolis ir žiūrėjimo kampai. Todėl šie lytėjimo jutikliai paprastai yra maži ir plokšti, todėl juos galima rasti tik roboto pirštų galiukais.

Jei jutimo sritis yra ilgesnė, labiau primenanti žmogaus pirštą, fotoaparatas turi sėdėti toliau nuo jutimo paviršiaus, kad matytų visą sritį. Tai ypač sudėtinga dėl roboto griebtuvo dydžio ir formos apribojimų.

Zhao ir Adelsonas išsprendė šią problemą naudodami du veidrodžius, kurie atspindi ir laužia šviesą link vienos kameros, esančios piršto apačioje.

„GelSight Svelte“ turi vieną plokščią, kampuotą veidrodį, esantį priešais fotoaparatą, ir vieną ilgą, lenktą veidrodį, esantį jutiklio gale. Šie veidrodžiai perskirsto šviesos spindulius iš fotoaparato taip, kad fotoaparatas galėtų matyti per visą piršto ilgį.

Norėdami optimizuoti veidrodžių formą, kampą ir kreivumą, mokslininkai sukūrė programinę įrangą, imituojančią šviesos atspindį ir lūžį.

„Naudodami šią programinę įrangą galime lengvai pažaisti, kur yra veidrodžiai ir kaip jie išlenkti, kad suprastume, kaip gerai atrodys vaizdas, kai iš tikrųjų pagaminsime jutiklį“, – aiškina Zhao.

Veidrodžiai, kamera ir du šviesos diodų rinkiniai, skirti apšvietimui, yra pritvirtinti prie plastikinio pagrindo ir apgaubti lanksčia danga, pagaminta iš silikono gelio. Kamera žiūri į užpakalinę odos dalį iš vidaus; Remdamasis deformacija, jis gali matyti, kur vyksta kontaktas, ir išmatuoti objekto kontaktinio paviršiaus geometriją.

Komponentų, sudarančių į pirštą panašų jutiklinį jutiklį, suskirstymas. Vaizdas: tyrėjų sutikimas

Be to, raudonos ir žalios šviesos diodų matricos leidžia suprasti, kaip giliai gelis yra nuspaudžiamas, kai suimamas objektas, dėl spalvų sodrumo skirtingose ​​jutiklio vietose.

Tyrėjai gali naudoti šią spalvų sodrumo informaciją, kad atkurtų 3D gylio vaizdą sučiuopiamo objekto.

Plastikinis jutiklio korpusas leidžia nustatyti proprioreceptinę informaciją, pvz., pirštui taikomus sukimo momentus. Suėmus daiktą, stuburas sulinksta ir susilenkia. Tyrėjai naudoja mašininį mokymąsi, kad įvertintų, kiek jėgos yra taikomas jutikliui, remiantis šiomis stuburo deformacijomis.

Tačiau sujungti šiuos elementus į veikiantį jutiklį nebuvo lengva užduotis, sako Zhao.

„Įsitikinti, kad veidrodis turi tinkamą kreivumą, kad jis atitiktų tai, ką turime modeliuojant, yra gana sudėtinga. Be to, supratau, kad yra tam tikrų rūšių superklijų, kurie slopina silicio kietėjimą. Prireikė daug eksperimentų, kad būtų sukurtas iš tikrųjų veikiantis jutiklis“, – priduria jis.

Universalus griebimas

Ištobulinę dizainą, tyrėjai išbandė „GelSight Svelte“ paspausdami objektus, pavyzdžiui, varžtą, į skirtingas jutiklio vietas, kad patikrintų vaizdo aiškumą ir pamatytų, kaip gerai jis gali nustatyti objekto formą.

Jie taip pat panaudojo tris jutiklius, kad sukurtų „GelSight Svelte“ ranką, galinčią atlikti kelis sugriebimus, įskaitant suspaudimą, šoninį sugriebimą ir galios griebtuvą, kuris naudoja visą trijų pirštų jutimo sritį. Dauguma robotų rankų, kurios yra panašios į lygiagrečių žandikaulių lašintuvus, gali tik griebti.

Trijų pirštų jėgos griebtuvas leidžia robotinei rankai stabiliau laikyti sunkesnį daiktą. Tačiau griebtuvai vis tiek naudingi, kai objektas yra labai mažas. Jis sako, kad galimybė atlikti abiejų tipų griebtuvus viena ranka suteiktų robotui daugiau universalumo.

Žvelgiant į priekį, mokslininkai planuoja patobulinti „GelSight Svelte“, kad jutiklis būtų sulenktas ir galėtų sulenkti sąnarius, labiau kaip žmogaus pirštas.

„Optiniai-lytėjimo pirštų jutikliai leidžia robotams nebrangiomis kameromis rinkti didelės raiškos paviršiaus kontakto vaizdus, ​​o stebėdamas lankstaus paviršiaus deformaciją robotas įvertina kontakto formą ir taikomas jėgas. Šis darbas parodo GelSight pirštų dizaino pažangą, pagerinant viso piršto aprėptį ir galimybę apytiksliai apskaičiuoti lenkimo deformacijos sukimo momentus, naudojant vaizdo skirtumus ir mašininį mokymąsi“, – sako Monroe Kennedy III, Stanfordo universiteto mechanikos inžinerijos docentas. nedalyvauja šiame tyrime. „Tobulinti roboto lytėjimo pojūtį, kad jis priartėtų prie žmogaus gebėjimų, yra būtinybė ir galbūt yra katalizatoriaus problema kuriant robotus, galinčius atlikti sudėtingas, vikrias užduotis.

Šį tyrimą iš dalies remia Toyota tyrimų institutas.