В других конструкциях используются датчики с более низким разрешением, расположенные по всей поверхности пальца, но они не позволяют захватывать столько деталей, часто требуя нескольких захватов.

Вместо этого команда из Массачусетского технологического института создала роботизированный палец с жестким каркасом, заключенным в мягкий внешний слой, который включает в себя множество датчиков высокого разрешения под своей прозрачной «оболочкой». Датчики, использующие камеру и светодиоды для сбора визуальной информации о форме объекта, обеспечивают непрерывное обнаружение по всей длине пальца. Каждый палец одновременно собирает множество данных о многих частях объекта.

С помощью этой конструкции исследователи создали трехпалую роботизированную руку, способную идентифицировать объекты после одного захвата с точностью 85%. Жесткий каркас делает пальцы достаточно сильными, чтобы поднимать тяжелые предметы, такие как дрель, а мягкая оболочка позволяет им безопасно захватывать гибкие предметы, такие как пустая пластиковая бутылка, не раздавливая их.

Эти мягкие и жесткие пальцы могут быть особенно полезны в роботе-помощнике для дома, предназначенном для взаимодействия с пожилыми людьми. Робот мог бы поднимать тяжелый предмет с полки той же рукой, которой он помогает пожилому человеку принимать ванну.

«Наличие как мягких, так и жестких элементов очень важно для любой руки, но не менее важна и способность к обширному считыванию информации на большой площади, особенно если мы хотим выполнять очень сложные манипуляционные задачи, подобные тем, которые могут выполнять наши собственные руки. Наша цель в этой работе заключалась в том, чтобы объединить все, что делает наши человеческие руки такими совершенными, в роботизированном пальце, способном выполнять задачи, которые другие роботизированные пальцы в настоящее время не могут», — говорит студентка факультета машиностроения Сандра Лю, соавтор исследовательской работы о роботизированном пальце.

Лю написала статью вместе с ведущим соавтором и студентом факультета машиностроения Леонардо Заморой Яньесом и их научным руководителем Эдвардом Адельсоном, профессором кафедры когнитивных и нейробиологических наук имени Джона и Дороти Уилсон и членом Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL). Исследование будет представлено на конференции RoboSoft.

Палец, созданный по образцу человеческого:

роботизированный палец состоит из жесткого эндоскелета, напечатанного на 3D-принтере, который помещается в форму и обволакивается прозрачной силиконовой «оболочкой». Изготовление пальца в форме устраняет необходимость в крепежных элементах или клеях для фиксации силикона.

Исследователи разработали форму с изогнутой формой, чтобы роботизированные пальцы были слегка изогнуты в состоянии покоя, как человеческие пальцы.

«Силикон сминается при сгибании, поэтому мы подумали, что если мы отформуем палец в таком изогнутом положении, то при дальнейшем сгибании для захвата объекта морщин будет меньше. Морщины в некотором смысле полезны — они помогают пальцу плавно и легко скользить по поверхностям, — но мы не хотели морщин, которые нельзя было бы контролировать», — говорит Лю.

Эндоскелет каждого пальца содержит пару детальных сенсоров касания, известных как датчики GelSight, встроенных в верхнюю и среднюю части, под прозрачной кожей. Датчики расположены таким образом, что диапазоны камер слегка перекрываются, обеспечивая непрерывное обнаружение по всей длине пальца.

Датчик GelSight, основанный на новаторской технологии группы Адельсона, состоит из камеры и трех цветных светодиодов. Когда палец захватывает объект, камера делает снимки, а цветные светодиоды подсвечивают кожу изнутри.

На основе подсвеченных контуров, появляющихся на мягкой коже, алгоритм выполняет ретроспективные вычисления для построения карты контуров на поверхности захваченного объекта. Исследователи обучили модель машинного обучения распознавать объекты по необработанным данным изображения с камеры.

В процессе усовершенствования процесса изготовления пальца исследователи столкнулись с несколькими препятствиями.

Во-первых, силикон со временем имеет тенденцию отслаиваться от поверхности. Лю и его коллеги обнаружили, что могут ограничить это отслаивание, добавив небольшие изгибы вдоль шарниров между суставами эндоскелета.

Когда палец сгибается, сила изгиба силикона распределяется вдоль этих небольших изгибов, уменьшая напряжение и предотвращая отслоение. Они также добавили складки в суставах, чтобы силикон не так сильно сплющивался при сгибании пальца.

В процессе устранения неполадок в своей конструкции исследователи поняли, что складки силикона предотвращают разрыв кожи.

«Полезность морщин стала для нас случайным открытием. Когда мы синтезировали их на поверхности, мы обнаружили, что они делают палец более прочным, чем мы ожидали», — объясняет он.

Крепко возьмитесь за поводок

После того как конструкция была доведена до совершенства, исследователи создали роботизированную руку с двумя пальцами, расположенными в форме буквы Y, и третьим пальцем, выполняющим функцию противопоставленного большого пальца. Рука захватывает шесть изображений при захвате объекта (по два с каждого пальца) и отправляет их алгоритму машинного обучения, который использует их для идентификации объекта.

Поскольку на всех пальцах руки расположены сенсоры, она может собирать большой объем данных о прикосновениях за один захват.

«Хотя в наших пальцах много сенсоров, возможно, добавление сенсоров на ладонь помогло бы лучше различать тактильные объекты», — говорит Лю.

В будущем исследователи также планируют усовершенствовать аппаратную часть, чтобы уменьшить износ силикона с течением времени, и добавить больше приводов к большому пальцу, чтобы он мог выполнять более широкий спектр задач.

Данная работа частично финансировалась Исследовательским институтом Toyota, Управлением военно-морских исследований и проектом SINTEF BIFROST.

Автор: Адам Зеве, пресс-служба Массачусетского технологического института