Zamislite da jednom rukom uhvatite težak predmet, poput ključa za cevi. Verovatno biste zgrabili ključ čitavim prstima, a ne samo vrhovima prstiju. Senzorni receptori u vašoj koži, koji se protežu duž cele dužine svakog prsta, šalju informacije vašem mozgu o alatu koji hvatate.
U robotskoj ruci, taktilni senzori koji koriste kamere za dobijanje informacija o zahvaćenim predmetima su mali i ravni, pa se često nalaze na vrhovima prstiju. Ovi roboti, zauzvrat, koriste samo vrhove prstiju da bi uhvatili predmete, obično pokretom štipanja. Ovo ograničava zadatke manipulacije koje mogu da obavljaju.
Istraživači sa MIT-a razvili su senzor dodira zasnovan na kameri koji je dugačak, zakrivljen i oblikovan kao ljudski prst. Njihov uređaj obezbeđuje taktilno detekciju visoke rezolucije na velikoj površini. Senzor, nazvan GelSight Svelte, koristi dva ogledala da reflektuje i prelama svetlost tako da jedna kamera, smeštena u osnovi senzora, može da vidi duž cele dužine prsta. Rad je objavljen na serveru za pre-print arKsiv.
Pored toga, istraživači su napravili senzor u obliku prsta sa fleksibilnom kičmom. Merenjem kako se kičma savija kada prst dodirne predmet, oni mogu proceniti silu koja se postavlja na senzor.
Oni su koristili GelSight Svelte senzore da proizvedu robotsku ruku koja je bila u stanju da uhvati težak predmet kao što bi čovek, koristeći čitavo područje senzora sva tri svoja prsta. Ruka bi takođe mogla da izvede iste hvatanje prstiju uobičajene za tradicionalne robotske hvataljke.
„Pošto je naš novi senzor u obliku ljudskog prsta, možemo ga koristiti za različite vrste hvatanja za različite zadatke, umesto da koristimo hvatanje za sve. Ima samo toliko toga što možete da uradite sa paralelnim hvatačem vilice. Naš senzor se zaista otvara otkrili neke nove mogućnosti za različite zadatke manipulacije koje bismo mogli da uradimo sa robotima“, kaže Alan (Jialiang) Zhao, diplomirani student mašinstva i vodeći autor rada o GelSight Svelte. Kredit: Massachusetts Institute of Technologi
Zhao je napisao rad sa starijim autorom Edvardom Adelsonom, profesorom nauke o vidu Džona i Doroti Vilson na Odeljenju za mozak i kognitivne nauke i članom Laboratorije za računarske nauke i veštačku inteligenciju (CSAIL). Istraživanje će biti predstavljeno na IEEE konferenciji o inteligentnim robotima i sistemima.
Kamere koje se koriste u taktilnim senzorima ograničene su svojom veličinom, žižnom udaljenosti njihovih sočiva i uglovima gledanja. Stoga, ovi taktilni senzori imaju tendenciju da budu mali i ravni, što ih ograničava na vrhove prstiju robota.
Sa dužom površinom senzora, onom koja više liči na ljudski prst, kamera bi morala da sedi dalje od površine senzora da bi videla celu oblast. Ovo je posebno izazovno zbog ograničenja veličine i oblika robotske hvataljke.
Zhao i Adelson su rešili ovaj problem koristeći dva ogledala koja reflektuju i prelamaju svetlost prema jednoj kameri koja se nalazi u dnu prsta.
GelSight Svelte uključuje jedno ravno, zakošeno ogledalo koje se nalazi preko puta kamere i jedno dugačko, zakrivljeno ogledalo koje se nalazi duž zadnje strane senzora. Ova ogledala redistribuiraju svetlosne zrake iz kamere na način da kamera može da ih vidi duž cele dužine prsta.
Da bi optimizovali oblik, ugao i zakrivljenost ogledala, istraživači su dizajnirali softver za simulaciju refleksije i prelamanja svetlosti.
„Sa ovim softverom možemo lako da se poigramo sa tim gde se ogledala nalaze i kako su zakrivljena da bismo dobili osećaj koliko će dobro izgledati slika nakon što zaista napravimo senzor“, objašnjava Zhao.
Ogledala, kamera i dva seta LED dioda za osvetljenje su pričvršćeni na plastičnu kičmu i omotani u fleksibilnu kožu napravljenu od silikonskog gela. Kamera posmatra zadnji deo kože iznutra; na osnovu deformacije može videti gde dolazi do kontakta i izmeriti geometriju kontaktne površine objekta.
Pored toga, crveni i zeleni LED nizovi daju osećaj koliko je duboko gel pritisnut kada se predmet uhvati, zbog zasićenosti boje na različitim lokacijama na senzoru.
Istraživači mogu da koriste ove informacije o zasićenosti boja da rekonstruišu 3D sliku dubine objekta koji se hvata.
Plastična kičma senzora omogućava mu da odredi proprioceptivne informacije, kao što su obrtni momenti primenjeni na prst. Kičma se savija i savija kada se neki predmet uhvati. Istraživači koriste mašinsko učenje da bi procenili kolika se sila primenjuje na senzor, na osnovu ovih deformacija kičme.
Međutim, kombinovanje ovih elemenata u radni senzor nije bio lak zadatak, kaže Zhao.
„Proveriti da li imate ispravnu krivinu da ogledalo odgovara onome što imamo u simulaciji je prilično izazovno. Plus, shvatio sam da postoje neke vrste superlepka koje sprečavaju očvršćavanje silicijuma. Bilo je potrebno mnogo eksperimenata da se napravi senzor koji zapravo radi“, dodaje on. Ovaj gif prikazuje robotsku ruku koja uključuje tri senzora GelSight Svelte u obliku prsta. Senzori, koji obezbeđuju taktilno detektovanje visoke rezolucije na velikoj površini, omogućavaju ruci da izvrši višestruko hvatanje, uključujući hvatanje prstiju koji koristi samo vrhove prstiju i moćno hvatanje koje koristi čitavo područje senzora sva tri prsta. Kredit: Massachusetts Institute of Technologi
Kada su usavršili dizajn, istraživači su testirali GelSight Svelte pritiskom na objekte, poput zavrtnja, na različite lokacije na senzoru da bi proverili jasnoću slike i videli koliko dobro može da odredi oblik objekta.
Takođe su koristili tri senzora da naprave GelSight Svelte ruku koja može da izvrši višestruko hvatanje, uključujući hvatanje štipanja, bočno hvatanje štipanja i moćno hvatanje koje koristi čitavo područje osetljivosti tri prsta. Većina robotskih ruku, koje su oblikovane kao paralelne čeljusti, mogu samo da hvataju prste.
Snažni hvat sa tri prsta omogućava robotskoj ruci da stabilnije drži teži predmet. Međutim, hvatanje prstiju je i dalje korisno kada je objekat veoma mali. Mogućnost obavljanja oba tipa hvatanja jednom rukom bi robotu dala veću svestranost, kaže on.
Krećući se napred, istraživači planiraju da poboljšaju GelSight Svelte tako da senzor bude artikulisan i da se može savijati u zglobovima, više kao ljudski prst.
„Optički taktilni senzori prstiju omogućavaju robotima da koriste jeftine kamere za prikupljanje slika visoke rezolucije površinskog kontakta, a posmatranjem deformacije fleksibilne površine robot procenjuje oblik kontakta i primenjene sile. Ovaj rad predstavlja napredak na GelSight prstu dizajn, sa poboljšanjima u pokrivenosti celog prsta i mogućnošću da se aproksimiraju obrtni momenti savijanja koristeći razlike u slici i mašinsko učenje“, kaže Monro Kenedi III, docent mašinstva na Univerzitetu Stanford, koji nije bio uključen u ovo istraživanje.
„Poboljšanje osećaja dodira robota da se približi ljudskim sposobnostima je neophodnost i možda problem katalizatora za razvoj robota sposobnih da rade na složenim, spretnim zadacima.“
