Forskare vid Columbia Engineering meddelade idag att de har introducerat en ny typ av robotfinger med känsel. Deras finger kan lokalisera beröring med mycket hög precision— <1 mm – över en stor, flerkrökt yta, ungefär som sin mänskliga motsvarighet.

"Det har länge funnits ett gap mellan fristående taktila sensorer och helt integrerade taktila fingrar - taktil avkänning är fortfarande långt ifrån allestädes närvarande vid robotmanipulation, " säger Matei Ciocarlie, docent vid institutionerna för maskinteknik och datavetenskap, som ledde detta arbete i samarbete med elektroteknikprofessor Ioannis (John) Kymissis. "I det här pappret, vi har demonstrerat ett flerböjt robotfinger med exakt beröringslokalisering och normal kraftdetektering över komplexa 3D-ytor."

Nuvarande metoder för att bygga beröringssensorer har visat sig vara svåra att integrera i robotfingrar på grund av flera utmaningar, inklusive svårigheter att täcka flerkrökta ytor, högt antal trådar, eller svårigheter att passa in i små fingertoppar, förhindrar därmed användning i fingerfärdiga händer. Columbia Engineering-teamet tog ett nytt tillvägagångssätt:den nya användningen av överlappande signaler från ljussändare och mottagare inbäddade i ett transparent vågledarskikt som täcker fingrets funktionella områden.

Genom att mäta ljustransport mellan varje sändare och mottagare, de visade att de kan få en mycket rik signaldatauppsättning som förändras som svar på deformation av fingret på grund av beröring. De visade sedan att rent datadrivna metoder för djupinlärning kan extrahera användbar information från datan, inklusive kontaktplats och applicerad normalkraft, utan behov av analytiska modeller. Deras slutresultat är en helt integrerad, sensoriserat robotfinger, med ett lågt antal trådar, byggd med tillgängliga tillverkningsmetoder och designad för enkel integrering i fingerfärdiga händer.

Studien, publiceras online i IEEE/ASME-transaktioner på mekatronik , visar de två aspekterna av den underliggande tekniken som kombineras för att möjliggöra de nya resultaten. För det första, i detta projekt, forskarna använder ljus för att känna beröring. Under skinnet, "Fingret har ett lager av transparent silikon, där de lyste ljus från mer än 30 lysdioder. Fingret har också mer än 30 fotodioder som mäter hur ljuset studsar runt. När fingret rör vid något, dess hud deformeras, så ljuset skiftar runt i det genomskinliga lagret under. Mäter hur mycket ljus som går från varje lysdiod till varje diod, forskarna slutar med nära 1, 000 signaler som var och en innehåller viss information om kontakten som togs. Eftersom ljus också kan studsa runt i ett krökt utrymme, dessa signaler kan täcka en komplex 3D-form som en fingertopp.

"Det mänskliga fingret ger otroligt rik kontaktinformation – mer än 400 små beröringssensorer i varje kvadratcentimeter av huden!" säger Ciocarlie. "Det var modellen som drev oss att försöka få så mycket data som möjligt från vårt finger. Det var viktigt att vara säker på att alla kontakter på alla sidor av fingret var täckta - vi byggde i princip ett känselförnimmbart robotfinger utan blinda fläckar. "

För det andra, teamet designade denna data för att bearbetas av maskininlärningsalgoritmer. Eftersom det finns så många signaler, alla delvis överlappar varandra, uppgifterna är för komplexa för att kunna tolkas av människor. Lyckligtvis, nuvarande maskininlärningstekniker kan lära sig att extrahera informationen som forskarna bryr sig om:var fingret berörs, vad det rör vid fingret, hur mycket kraft som appliceras, etc.

"Våra resultat visar att ett djupt neuralt nätverk kan extrahera denna information med mycket hög noggrannhet, " säger Kymissis. "Vår enhet är verkligen ett taktilt finger designat från allra första början för att användas i kombination med AI-algoritmer."

Dessutom, laget byggde fingret så det, och andra, kan läggas på robothänder. Det är enkelt att integrera systemet på en hand:tack vare denna nya teknik, fingret samlar nästan 1, 000 signaler, men behöver bara en 14-ledarkabel som ansluter den till handen, och den behöver ingen komplicerad extern elektronik. Forskarna har redan två skickliga händer (som kan greppa och manipulera föremål) i deras labb som är utrustade med dessa fingrar - en hand har tre fingrar, och den andra fyra. Under de kommande månaderna, teamet kommer att använda dessa händer för att försöka visa skicklig manipulationsförmåga, baserat på taktila och proprioceptiva data.

"Findig robotmanipulation behövs nu inom områden som tillverkning och logistik, och är en av de teknologier som, på längre sikt, behövs för att möjliggöra personlig robotassistans inom andra områden, såsom sjukvård eller tjänstedomäner, " tillägger Ciocarlie.

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