Рисунок 1. Концепция сенсорной системы ConTac. Подпись к изображению: Когда человек касается робота, робот меняет свое движение, чтобы избежать столкновения. Кредит: Ван Ань Хо из JAIST
В природе многие организмы, такие как осьминоги с их гибкими щупальцами или слоны с их хоботами, проявляют замечательную ловкость. Вдохновленные этими естественными структурами, исследователи стремятся разработать высокогибких континуальных роботов, которые обеспечивают надежность и безопасность.
В идеале континуальный робот характеризуется большим количеством степеней свободы (DOF) и количеством сочленений, большим, чем необходимо для большинства задач. Эти характеристики позволяют им динамически корректировать и изменять свою форму, что позволяет им избегать препятствий и неожиданных ситуаций. Однако их сложные движения затрудняют характеристику их формы и движения.
Традиционные аналитические методы получения решений для кинематических и динамических проблем континуальных роботов опираются на сложное моделирование, что увеличивает вычислительные затраты. В качестве альтернативы можно использовать гибкие датчики, встроенные в континуальных роботов, для отслеживания их формы и движения, но этот метод требует множества датчиков с низким разрешением, что делает систему громоздкой.
Более перспективным решением является использование одного сенсорного модуля на конце континуального робота. Однако предыдущие исследования в этом направлении в основном были сосредоточены на позе робота и не рассматривали обнаружение контакта.
Устраняя этот пробел, группа исследователей из Японии под руководством доцента Ван Ань Хо из Японского передового института науки и технологий (JAIST) разработала новую систему под названием ConTac. Эта система может оценить форму и контакт роботизированной руки с мягкой кожей.
Доктор Хо объясняет: «Конечная цель этой системы — внедрить ее в континуумного робота, но в этом исследовании мы сосредоточились на восприятии с использованием шарнирной роботизированной руки и мягкой кожи для проверки».
В команду вошли студенты докторской программы Туан Тай Нгуен и Куан Кхань Луу из JAIST, а также доктор Динь Куанг Нгуен из университета VNU-UET в Ханое. Их исследование было представлено на конференции Robotics: Science and Systems (RSS 2024), которая прошла в Делфте, Нидерланды, с 15 по 19 июля.
Рисунок 2. Сенсорная система ConTac. Подпись к изображению: Мы используем среду моделирования для сбора обучающих данных, которые используются для разработки моделей датчиков. Ожидается, что роботы с сенсорной системой будут использоваться для взаимодействия человека с роботом. Фото: Ван Ань Хо из JAIST
Система ConTac состоит из хребта, который имитирует изгиб континуума робота, мягкой кожи с маркерами, камеры для наблюдения за деформацией кожи, моделей для формы и контактного зондирования кожи и режима управления с учетом контакта. Эта система может быть применена к любому блоку ConTac или любому другому роботу с тем же механизмом и формой без какой-либо калибровки.
Блок ConTac представляет собой собранную руку робота, эмулируемую континуумом, с хребтом и мягкой кожей. Исследователи также разработали контроллер на основе допуска для этой системы, который использует перцепционную информацию для управления движениями роботизированной руки. Кроме того, блок ConTac экономически эффективен и может быть изготовлен из обычных материалов
Эта инновационная система использует две модели глубокого обучения для реконструкции формы и обнаружения контакта мягкой континуальной кожи. Эти модели были полностью обучены с использованием изображений моделирования, а затем были напрямую адаптированы к реальным роботам без тонкой настройки, что экономит время и ресурсы. Переносимость системы была протестирована на двух различных устройствах ConTac, которые работали одинаково без дополнительных настроек.
Подчеркивая значимость этого исследования, доктор Хо замечает: «Система ConTac предназначена для использования в различных роботизированных системах без необходимости сложных настроек. Гибкие роботизированные руки, оснащенные нашей системой, идеально подходят для интеллектуального сельского хозяйства и здравоохранения, где роботы должны перемещаться в среде со множеством препятствий и безопасно взаимодействовать с людьми.
«Их мягкость и гибкость в сочетании со способностью ощущать окружающую среду делают их идеальными для взаимодействия с растениями и пациентами».
Принципы восприятия и управления, используемые в этой структуре, могут привести к появлению новых тактильных датчиков, которые можно будет прикрепить к любой существующей робототехнической системе, предлагая новые парадигмы восприятия и управления для безопасного взаимодействия человека и робота без изменения первоначальной конструкции робота.
Доктор Хо заключает: «Представьте себе общество, в котором каждый робот и машина обладают чувством осязания. Эта трансформация произведет революцию в промышленности и повседневной жизни.»
Дополнительная информация: Мягкокожая рука с эмуляцией континуума, с функцией распознавания формы на основе зрения и контактной манипуляцией. roboticsconference.org/program/papers/97/Предоставлено Японским передовым институтом науки и технологий
