Pesquisadores da Columbia Engineering anunciaram hoje que introduziram um novo tipo de dedo robótico com um sentido de toque. Seu dedo pode localizar o toque com precisão muito alta - <1 mm - em um grande, superfície multicurvada, muito parecido com sua contraparte humana.

"Há muito tempo existe uma lacuna entre os sensores táteis independentes e os dedos táteis totalmente integrados - a detecção tátil ainda está longe de ser onipresente na manipulação robótica, "diz Matei Ciocarlie, professor associado nos departamentos de engenharia mecânica e ciência da computação, que liderou este trabalho em colaboração com o Professor de Engenharia Elétrica Ioannis (John) Kymissis. "Nesse artigo, demonstramos um dedo robótico multicurvo com localização de toque precisa e detecção de força normal em superfícies 3-D complexas. "

Os métodos atuais para a construção de sensores de toque têm se mostrado difíceis de integrar aos dedos do robô devido a vários desafios, incluindo dificuldade em cobrir superfícies multicurvadas, alta contagem de fios, ou dificuldade de encaixar nas pontas dos dedos pequenos, evitando assim o uso em mãos hábeis. A equipe de engenharia da Columbia adotou uma nova abordagem:o novo uso de sinais sobrepostos de emissores e receptores de luz embutidos em uma camada de guia de ondas transparente que cobre as áreas funcionais do dedo.

Ao medir o transporte de luz entre cada emissor e receptor, eles mostraram que podem obter um conjunto de dados de sinal muito rico que muda em resposta à deformação do dedo devido ao toque. Eles então demonstraram que métodos de aprendizagem profunda puramente orientados por dados podem extrair informações úteis dos dados, incluindo localização de contato e força normal aplicada, sem a necessidade de modelos analíticos. O resultado final é totalmente integrado, dedo do robô sensorizado, com uma contagem de fios baixa, construído usando métodos de manufatura acessíveis e projetado para fácil integração em mãos hábeis.

O estudo, publicado online em Transações IEEE / ASME em mecatrônica , demonstra os dois aspectos da tecnologia subjacente que se combinam para possibilitar os novos resultados. Em primeiro lugar, Neste projeto, os pesquisadores usam luz para sentir o toque. Sob a pele, "seu dedo tem uma camada de silicone transparente, em que eles brilharam a luz de mais de 30 LEDs. O dedo também tem mais de 30 fotodiodos que medem como a luz reflete. Sempre que o dedo toca algo, sua pele se deforma, então a luz se desloca na camada transparente abaixo. Medir quanta luz vai de cada LED para cada diodo, os pesquisadores acabam com cerca de 1, 000 sinais, cada um contendo alguma informação sobre o contato realizado. Uma vez que a luz também pode saltar em um espaço curvo, esses sinais podem cobrir uma forma 3D complexa, como a ponta de um dedo.

"O dedo humano fornece informações de contato incrivelmente ricas - mais de 400 minúsculos sensores de toque em cada centímetro quadrado de pele!" diz Ciocarlie. "Esse foi o modelo que nos impulsionou a tentar obter o máximo de dados possível de nosso dedo. Era fundamental ter certeza de que todos os contatos em todos os lados do dedo estavam cobertos - essencialmente construímos um dedo robô tátil sem pontos cegos. "

Em segundo lugar, a equipe projetou esses dados para serem processados ​​por algoritmos de aprendizado de máquina. Porque existem tantos sinais, todos eles parcialmente sobrepostos uns aos outros, os dados são complexos demais para serem interpretados por humanos. Felizmente, as técnicas atuais de aprendizado de máquina podem aprender a extrair as informações que interessam aos pesquisadores:onde o dedo está sendo tocado, o que está tocando o dedo, quanta força está sendo aplicada, etc.

"Nossos resultados mostram que uma rede neural profunda pode extrair essas informações com uma precisão muito alta, "diz Kymissis." Nosso dispositivo é realmente um dedo tátil projetado desde o início para ser usado em conjunto com algoritmos de IA. "

Além disso, a equipe construiu o dedo para isso, e outros, pode ser colocado em mãos robóticas. Integrar o sistema em uma mão é fácil:graças a esta nova tecnologia, o dedo coleta quase 1, 000 sinais, mas só precisa de um cabo de 14 fios conectando-o à mão, e não precisa de nenhuma eletrônica externa complexa. Os pesquisadores já têm duas mãos hábeis (capazes de agarrar e manipular objetos) em seu laboratório sendo equipadas com esses dedos - uma mão tem três dedos, e o outro quatro. Nos próximos meses, a equipe usará essas mãos para tentar demonstrar habilidades hábeis de manipulação, com base em dados táteis e proprioceptivos.

"A manipulação robótica habilidosa é necessária agora em campos como manufatura e logística, e é uma das tecnologias que, a longo prazo, são necessários para permitir a assistência robótica pessoal em outras áreas, como domínios de saúde ou serviços, "Ciocarlie acrescenta.

O estudo é intitulado "Um dedo de robô multicurvo sensorizado com sensor de toque baseado em dados por meio de sinais de luz sobrepostos".