Onderzoekers van Columbia Engineering hebben vandaag aangekondigd dat ze een nieuw type robotvinger met tastzin hebben geïntroduceerd. Hun vinger kan aanraking met zeer hoge precisie lokaliseren - <1 mm—over een grote, meergekromd oppervlak, net als zijn menselijke tegenhanger.

"Er is al lang een kloof tussen stand-alone tactiele sensoren en volledig geïntegreerde tactiele vingers - tactiele detectie is nog lang niet alomtegenwoordig in robotmanipulatie, " zegt Matei Ciocarlie, universitair hoofddocent bij de afdelingen werktuigbouwkunde en informatica, die dit werk leidde in samenwerking met professor elektrotechniek Ioannis (John) Kymissis. "In deze krant, we hebben een meergekromde robotvinger gedemonstreerd met nauwkeurige aanrakingslokalisatie en normaalkrachtdetectie over complexe 3D-oppervlakken."

De huidige methoden voor het bouwen van aanraaksensoren zijn vanwege meerdere uitdagingen moeilijk te integreren in robotvingers, waaronder problemen bij het bedekken van meergekromde oppervlakken, hoge draadtelling, of moeite met passen in kleine vingertoppen, waardoor gebruik in behendige handen wordt voorkomen. Het Columbia Engineering-team koos voor een nieuwe aanpak:het nieuwe gebruik van overlappende signalen van lichtzenders en ontvangers ingebed in een transparante golfgeleiderlaag die de functionele gebieden van de vinger bedekt.

Door lichttransport tussen elke zender en ontvanger te meten, ze toonden aan dat ze een zeer rijke signaaldataset kunnen verkrijgen die verandert als reactie op vervorming van de vinger als gevolg van aanraking. Vervolgens toonden ze aan dat puur datagedreven deep learning-methoden nuttige informatie uit de data kunnen halen. inclusief contactlocatie en toegepaste normaalkracht, zonder de noodzaak van analytische modellen. Hun eindresultaat is een volledig geïntegreerd, gesensoriseerde robotvinger, met een laag aantal draden, gebouwd met behulp van toegankelijke productiemethoden en ontworpen voor eenvoudige integratie in handige handen.

De studie, online gepubliceerd in IEEE/ASME-transacties op mechatronica , demonstreert de twee aspecten van de onderliggende technologie die samen de nieuwe resultaten mogelijk maken. Ten eerste, in dit project, de onderzoekers gebruiken licht om aanraking te voelen. Onder de huid, " hun vinger heeft een laag gemaakt van transparante siliconen, waarin ze het licht van meer dan 30 LED's lieten schijnen. De vinger heeft ook meer dan 30 fotodiodes die meten hoe het licht rondkaatst. Telkens als de vinger iets aanraakt, zijn huid vervormt, dus licht verschuift in de transparante laag eronder. Meten hoeveel licht er van elke LED naar elke diode gaat, de onderzoekers eindigen met bijna 1, 000 signalen die elk wat informatie bevatten over het contact dat werd gelegd. Omdat licht ook in een gekromde ruimte kan kaatsen, deze signalen kunnen een complexe 3D-vorm zoals een vingertop bedekken.

"De menselijke vinger biedt ongelooflijk rijke contactinformatie - meer dan 400 kleine aanraaksensoren in elke vierkante centimeter huid!" zegt Ciocarlie. "Dat was het model dat ons ertoe aanzette om zoveel mogelijk gegevens van onze vinger te krijgen. Het was van cruciaal belang om er zeker van te zijn dat alle contacten aan alle kanten van de vinger bedekt waren - we bouwden in wezen een tactiele robotvinger zonder blinde vlekken. "

Ten tweede, het team heeft deze gegevens ontworpen om te worden verwerkt door algoritmen voor machine learning. Omdat er zoveel signalen zijn, ze overlappen elkaar allemaal gedeeltelijk, de gegevens zijn te complex om door mensen te worden geïnterpreteerd. Gelukkig, huidige machine learning-technieken kunnen leren om de informatie te extraheren waar onderzoekers om geven:waar de vinger wordt aangeraakt, wat het is om de vinger aan te raken, hoeveel kracht wordt er uitgeoefend, enzovoort.

"Onze resultaten laten zien dat een diep neuraal netwerk deze informatie met zeer hoge nauwkeurigheid kan extraheren, ", zegt Kymissis. "Ons apparaat is echt een tactiele vinger die vanaf het begin is ontworpen om te worden gebruikt in combinatie met AI-algoritmen."

In aanvulling, het team bouwde de vinger zodat het, en anderen, kan op robothanden worden geplaatst. Het systeem op een hand integreren is eenvoudig:dankzij deze nieuwe technologie, de vinger verzamelt bijna 1, 000 signalen, maar heeft alleen een 14-aderige kabel nodig om hem met de hand te verbinden, en het heeft geen complexe externe elektronica nodig. De onderzoekers hebben al twee behendige handen (in staat om objecten vast te pakken en te manipuleren) in hun laboratorium die zijn uitgerust met deze vingers - één hand heeft drie vingers, en de andere vier. In de komende maanden, het team zal deze handen gebruiken om te proberen behendige manipulatievaardigheden te demonstreren, gebaseerd op tactiele en proprioceptieve gegevens.

"Handige robotmanipulatie is nu nodig op gebieden zoals productie en logistiek, en is een van de technologieën die, op langere termijn, nodig zijn om persoonlijke robotassistentie op andere gebieden mogelijk te maken, zoals zorg- of servicedomeinen, ' voegt Ciocarlie toe.

De studie is getiteld "Een gesensoriseerde multicurved robotvinger met datagedreven aanraakdetectie via overlappende lichtsignalen."