En taktil robotfinger uden blinde vinkler

Forskere ved Columbia Engineering meddelte i dag, at de har introduceret en ny type robotfinger med følesans. Deres finger kan lokalisere berøring med meget høj præcision— <1 mm – over en stor, flerbuet overflade, meget som dets menneskelige modstykke.

"Der har længe været en kløft mellem selvstændige taktile sensorer og fuldt integrerede taktile fingre - taktil sansning er stadig langt fra allestedsnærværende i robotmanipulation, " siger Matei Ciocarlie, lektor ved afdelingerne for maskinteknik og datalogi, der ledede dette arbejde i samarbejde med elektroingeniørprofessor Ioannis (John) Kymissis. "I denne avis, vi har demonstreret en flerbuet robotfinger med nøjagtig berøringslokalisering og normal kraftdetektion over komplekse 3-D overflader."

Nuværende metoder til at bygge berøringssensorer har vist sig vanskelige at integrere i robotfingre på grund af flere udfordringer, herunder vanskeligheder med at dække flerbuede overflader, højt antal ledninger, eller svært ved at passe ind i små fingerspidser, dermed forhindrer brug i fingernem hænder. Columbia Engineering-teamet tog en ny tilgang:den nye brug af overlappende signaler fra lysgivere og modtagere indlejret i et gennemsigtigt bølgelederlag, der dækker fingerens funktionelle områder.

Ved at måle lystransport mellem hver sender og modtager, de viste, at de kan opnå et meget rigt signaldatasæt, der ændrer sig som reaktion på deformation af fingeren på grund af berøring. De viste derefter, at rent datadrevne deep learning-metoder kan udtrække nyttig information fra dataene, inklusive kontaktsted og anvendt normal kraft, uden behov for analytiske modeller. Deres endelige resultat er en fuldt integreret, sensoriseret robotfinger, med et lavt antal ledninger, bygget ved hjælp af tilgængelige fremstillingsmetoder og designet til nem integration i fingerfærdige hænder.

Studiet, udgivet online i IEEE/ASME-transaktioner på mekatronik , demonstrerer de to aspekter af den underliggende teknologi, der kombineres for at muliggøre de nye resultater. For det første, i dette projekt, forskerne bruger lys til at føle berøring. Under "huden, "deres finger har et lag lavet af gennemsigtig silikone, hvori de skinnede lys fra mere end 30 LED'er. Fingeren har også mere end 30 fotodioder, der måler, hvordan lyset hopper rundt. Når fingeren rører ved noget, dens hud deformeres, så lys skifter rundt i det gennemsigtige lag nedenunder. Måler hvor meget lys der går fra hver LED til hver diode, forskerne ender med tæt på 1, 000 signaler, der hver indeholder nogle oplysninger om den kontakt, der blev taget. Da lys også kan hoppe rundt i et buet rum, disse signaler kan dække en kompleks 3D-form, såsom en fingerspids.

"Den menneskelige finger giver utroligt rig kontaktinformation - mere end 400 bittesmå berøringssensorer i hver kvadratcentimeter hud!" siger Ciocarlie. "Det var modellen, der skubbede os til at forsøge at få så mange data som muligt fra vores finger. Det var afgørende at være sikker på, at alle kontakter på alle sider af fingeren var dækket - vi byggede i det væsentlige en taktil robotfinger uden blinde vinkler. "

For det andet holdet designede disse data til at blive behandlet af maskinlæringsalgoritmer. Fordi der er så mange signaler, alle delvist overlappende med hinanden, dataene er for komplekse til at blive fortolket af mennesker. Heldigvis, nuværende maskinlæringsteknikker kan lære at udtrække den information, som forskere interesserer sig for:hvor fingeren bliver rørt, hvad det rører ved fingeren, hvor meget kraft der påføres, etc.

"Vores resultater viser, at et dybt neuralt netværk kan udtrække denne information med meget høj nøjagtighed, " siger Kymissis. "Vores enhed er virkelig en taktil finger designet fra begyndelsen til at blive brugt i forbindelse med AI-algoritmer."

Ud over, holdet byggede fingeren, så det, og andre, kan lægges på robothænder. Det er nemt at integrere systemet på en hånd:takket være denne nye teknologi, fingeren samler næsten 1, 000 signaler, men behøver kun et 14-leder kabel, der forbinder det med hånden, og det behøver ingen kompleks off-board elektronik. Forskerne har allerede to behændige hænder (i stand til at gribe og manipulere genstande) i deres laboratorium, der er udstyret med disse fingre - den ene hånd har tre fingre, og den anden fire. I de næste måneder, holdet vil bruge disse hænder til at prøve at demonstrere behændige manipulationsevner, baseret på taktile og proprioceptive data.

"Behendig robotmanipulation er nødvendig nu inden for områder som fremstilling og logistik, og er en af ​​de teknologier, på længere sigt, er nødvendige for at muliggøre personlig robothjælp på andre områder, såsom sundheds- eller servicedomæner, " tilføjer Ciocarlie.

Undersøgelsen har titlen "A Sensorized Multicurved Robot Finger with Datadriven Touch Sensing via Overlapping Light Signals."