Palec robota wykorzystuje zmysł dotyku do wykrywania zakopanych obiektów

Fot. freepik

Roboty całkiem dobrze radzą sobie z identyfikacją obiektów, o ile znajdują się one na otwartej przestrzeni. Rozpoznawanie przedmiotów zakopanych w ziarnistym materiale, takim jak piasek, jest jednak większym wyzwaniem. Aby tego dokonać, robot potrzebuje palców, wystarczająco smukłych do penetracji piasku, musi być wystarczająco mobilny, aby mógł swobodnie wykonywać ruchy skrętne, gdy ziarna piasku sklejają się w grudki, oraz wystarczająco czuły, aby zidentyfikować szczegóły kształtu zakopanego obiektu.

Badacze z amerykańskiego Uniwersytetu MIT (Massachusetts Institute of Technology) niedawno zaprojektowali ostro zakończony palec robota, wyposażony w zmysł dotyku, który ma rozwiązać problemy z identyfikacją obiektów zakopanych w ziemi. Podczas przeprowadzonych eksperymentów palec o wdzięcznej nazwie Digger Finger (?Palec Kopacz?) potrafił przekopać się przez ziarnisty materiał, taki jak piasek czy ryż, i prawidłowo wykryć kształty odnajdowanych przedmiotów ukrytych w tych materiałach. Badacze mówią, że być może robot ten pewnego dnia będzie mógł wykonywać zadania związane z obiektami ukrytymi w ziemi, takie jak odnajdowanie zakopanych kabli elektrycznych czy rozbrajanie bomb.

Poszukiwanie metod identyfikacji obiektów zakopanych w ziarnistych materiałach (piasek, żwir oraz inne rodzaje luźno związanych cząstek) nie jest czymś nowym. Przedtem badacze wykorzystywali technologie, które wykrywają z powietrza obiekty ukryte w ziemi, takie jak georadar (GPR; Ground Penetrating Radar) oraz wibracje ultradźwiękowe. Te metody pozwalają jednak tylko na uzyskanie zamglonego obrazu zakopanych obiektów. Mogą występować trudności z odróżnieniem np. kamieni od ludzkich kości.

Nasz pomysł polega na wykonaniu takiego palca dla robota, który ma czuły zmysł dotyku i potrafi odróżnić za jego pomocą różne obiekty, mówi Edward Adelson, profesor nauki o wizji (ang. vision science) na Wydziale Informatyki oraz Sztucznej Inteligencji Uniwersytetu MIT (Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory; CSAIL). To może być pomocne, gdy próbujemy na przykład odnaleźć i unieszkodliwić zakopane w ziemi bomby. Jednak wprowadzenie tego pomysłu w życie oznacza konieczność pokonania pewnej liczby przeszkód.

Pierwszym wyzwaniem dla zespołu badawczego był kształt palca dla robota. Palec musiał być smukły i ostro zakończony.

Aby wykonać palec Digger Finger, badacze przerobili swój czujnik dotyku GelSight[1] na dwa podstawowe sposoby. Najpierw tak zmienili kształt czujnika, aby powstał smukły cylinder ze ściętą końcówką. Następnie zrezygnowali z dwóch spośród trzech kolorów diod LED, stosując kombinację tylko niebieskich diod oraz kolorowej farby fluorescencyjnej. To znacznie zmniejszyło złożoność czujnika i pozwoliło zaoszczędzić przestrzeń, mówi należąca do zespołu badaczy Nancy Ouyang, doktorantka na Uniwersytecie Harvard. To dlatego byliśmy w stanie uzyskać taką kompaktową formę palca. Wynikiem prac było urządzenie, którego membrana do wykrywania dotykowego posiada powierzchnię 2 centymetrów kwadratowych, czyli podobnie jak czubek ludzkiego palca.

Po rozwiązaniu problemu z kształtem i wymiarami badacze zwrócili uwagę na ruch palca, jego montaż na ramieniu robota oraz kopanie w drobnym piasku i ryżu gruboziarnistym. Takie ziarniste materiały mają skłonność do sklejania się, gdy ich liczne cząstki zostaną zablokowane w jednym miejscu. To sprawia, że penetracja jest trudna. Dlatego też zespół badaczy wyposażył palec Digger Finger w możliwości wibracji, a następnie poddał go różnym testom.

Chcieliśmy zobaczyć, jak wibracje mechaniczne pomagają palcowi w kopaniu głębiej oraz przedostawaniu się przez grudki materiału, mówi Radhen Patel, odbywający staż po doktoracie na Wydziale CDAIL. Zasilaliśmy silnik wibratora różnymi napięciami, zmieniając amplitudę i częstotliwość drgań. Badacze odkryli, że gwałtowne wibracje pomagały ?upłynnić? ziarnisty materiał, zlikwidować jego grudki i pozwalały na głębsze kopanie, chociaż efekt ?upłynniania? był trudniejszy do uzyskania w piasku niż w ryżu.

Badacze przetestowali także różne ruchy skrętne palca zarówno w ryżu, jak i w piasku. Czasami ziarna różnego typu materiału zakleszczały się pomiędzy membraną dotykową Digger Fingera a zakopanym obiektem, który palec próbował wykryć. Czasem ziarna były wystarczająco duże, aby kompletnie ukryć kształt obiektu, jednak ta niedogodność mogła być zwykle usunięta przez niewielkie ruchy skrętne palca robota. Uwięziony piasek był trudniejszy do usunięcia, chociaż małe wymiary ziaren oznaczały, że Digger Finger potrafi nadal wyczuć ogólne kontury obiektu docelowego.

Prof. Adelson mówi, że Digger Finger jest częścią programu rozszerzającego dziedziny, w których może być wykorzystany dotyk robotów. Ludzie wykorzystują swoje palce w różnych złożonych środowiskach, zarówno szukając kluczy w kieszeniach spodni, jak i do poszukiwania guzów podczas zabiegów chirurgicznych. Ponieważ uzyskujemy lepsze wyniki w dziedzinie sztucznego dotyku, to chcemy być w stanie wykorzystać go w sytuacjach, w których jesteśmy otoczeni mnóstwem rozpraszających informacji. Chcemy umieć odróżniać to, co jest ważne od tego, co nie jest.


Redakcja tekstu: Chris Vavra, menedżer ds. treści online, Control Engineering, CFE Media and Technology.

[1] Posiada on żel pokryty membraną odblaskową, deformującą się pod wpływem dotyku, 3 diody LED w kolorach RGB, których światło odbija się od membrany, tworząc unikalne, kolorowe wzory świetlne oraz kamerę analizującą te wzory i przetwarzającą je na obraz 3D dotykanego obiektu ? uzup. tłum.