כדי לשתף פעולה בהצלחה עם בני אדם במשימות ידניות, רובוטים צריכים להיות מסוגלים לתפוס ולתפעל מגוון אובייקטים מבלי להפיל או לפגוע בהם. מאמצי המחקר האחרונים בתחום הרובוטיקה התמקדו אפוא בפיתוח חיישני מישוש ובקרים שיוכלו לספק לרובוטים את חוש המישוש ולקרב את יכולות המניפולציה של האובייקטים שלהם לאלו של בני האדם.
חוקרים מקבוצת רובוטיקה מיומנת של מעבדת בריסטול רובוטיקה (BRL), אוניברסיטת פיזה ו-IIT פיתחו לאחרונה מערכת מונעת מישוש שיכולה לאפשר לרובוטים לתפוס חפצים שונים בעדינות וביעילות רבה יותר. מערכת זו, שהוצגה במאמר שפורסם מראש ב- arXiv , משלבת סכימת בקרה המאפשרת מגע רגיש לכוח עם יד רובוטית עם חיישן מישוש אופטי בכל אחת מקצות אצבעותיה.
"המוטיבציה של העבודה הזו נובעת משיתוף הפעולה בין קבוצת Dexterous Robotics ב-BRL וחוקרים מאוניברסיטת פיזה ו-IIT", אמר כריס פורד, אחד החוקרים שפיתחו את מערכת המישוש, ל-Tech Xplore. "ל-Pisa/IIT יש עיצוב ייחודי של יד רובוט ( ה-SoftHand ), המבוסס על היד האנושית. רצינו לשלב את ה-Pisa/IIT SoftHand וחיישן המישוש של BRL TacTip, שכן שתי הטכנולוגיות משלימות זו את זו בשל שלהן. טבע ביומימטי."
ה-SoftHand היא יד רובוטית הדומה לידיים אנושיות הן בצורתה והן בתפקודה. יד זו פותחה במקור ככלי תותב, והיא יכולה לתפוס באותה סינרגיה יציבה כמו ידיים אנושיות.
The tactile SoftHand - A Pisa/IIT SoftHand fitted with five BRL TacTip fingertip sensors. Credit: Chris Ford
לצורך המחקר שלהם, פורד ועמיתיו שילבו חיישני מישוש אופטי אחד בכל אחת מקצות האצבעות של SoftHand. הם השתמשו בחיישן בשם TacTip, שיכול לחלץ מידע מעור מישוש מודפס בתלת מימד עם מבנה פנימי הדומה למבנה העור האנושי.
"האמונה שלנו היא שהשילוב של תכונות אלה הוא המפתח למיומנות אנושית וליכולות מניפולציה ברובוטים", אמר פורד. "בדקנו את האפשרות הזו לראשונה במאמר שפורסם ב-2021 , שראה את חיישן קצה האצבע משולב על ספרה אחת של Pisa/IIT SoftHand ומודד. ההמשך הטבעי של עבודה זו היה לשלב חיישנים בכל הספרות ולהתקין את היד על זרוע רובוטית להשלמת כמה משימות אחיזה ומניפולציה תוך שימוש במידע מישוש מקצות האצבעות כמשוב חושי."
המטרה העיקרית של העבודה האחרונה של פורד ועמיתיו הייתה להמשיך ולחקור את הפוטנציאל של המערכת מבוססת SoftHand שהוצגה בעבודה הקודמת שלהם, אך הוספת חיישני TacTip על קצות האצבעות שלה. בשילוב גרסה מעודכנת זו של המערכת שלהם עם מסגרת בקרה מתקדמת, הם קיוו לשחזר אחיזה דמוית אדם, רגישה לכוח ועדינה.
הבקר החדש שהוצג בנייר שלהם עובד על ידי מדידת העיוות של העור הרך למישוש בכל אחת מקצות האצבעות של SoftHand. דפורמציה זו משמשת כאות משוב שהבקר משתמש בו כדי להתאים את הכוח שהיד מפעילה על האובייקט שאוחז בו.
"זה ייחודי בהשוואה לשיטות בקרת אחיזה מסורתיות יותר כמו שליטה בזרם המנוע, שעלול להיות לא מדויק כאשר מיושם על תפסנים בעלי מבנה 'רך', כגון SoftHand", הסביר פורד.
"תכונה ייחודית נוספת של הבקר היא שהוא משתמש במשוב מ-5 חיישני מישוש אופטיים ברזולוציה גבוהה. חיישני מישוש אופטיים משתמשים במצלמה כדי לנטר שינויים בעור המישוש ומועילים בשל הכמות הגדולה של מידע מישוש שהם לוכדים בשל שלהם. רזולוציה גבוהה יותר, שכן כל פיקסל בתמונה הוא צומת המכיל מידע מישוש. עבור תמונה מישוש ברזולוציית 1080p, זה מתורגם ליותר מ-2 מיליון צמתים מישוש."
שימוש במספר חיישנים אופטיים בו-זמנית ידרוש בדרך כלל כוח חישוב נרחב, שכן מחשב בודד צריך לצלם בו זמנית תמונות ברזולוציה גבוהה ממצלמות שונות כדי לאסוף מידע מישוש במהירות סבירה. כדי להפחית את העומס החישובי הקשור למערכת שלהם, פורד ועמיתיו פיתחו "מוח" של חומרה לעיבוד מקביל שיכול לאסוף תמונות ממספר חיישנים בו זמנית. זה שיפר מאוד את זמני התגובה של בקר האחיזה שלהם, ואיפשר לו להשיג ביצועים דמויי אדם.
"התוצאות של עבודה זו מראות שאנו יכולים לקחת מידע מישוש מורכב עם תחכום קרוב למגע אנושי מקצות אצבעות מרובות ולגבש אותו לאות משוב פשוט שניתן להשתמש בו כדי להפעיל בהצלחה אחיזה יציבה ועדינה על מגוון רחב של אובייקטים ללא קשר. של גיאומטריה וקשיחות ללא צורך בכוונון מורכב", אמר פורד. "הישג נוסף הוא הפיתוח של 'מוח' החומרה המשמש ללכידה ועיבוד נתונים מישוש ממספר חיישנים ברזולוציה גבוהה בו זמנית".
שילובם של מספר חיישנים שיפר משמעותית את יכולות המישוש והחישה של המערכת הרובוטית המבוססת על SoftHand של החוקרים. על ידי שילובו עם חומרת העיבוד המקביל והבקר המתוחכם שלהם, הצוות גם שיפר את יכולתו לתפוס סוגים שונים של אובייקטים בדרכים מתאימות וללא עיכובים בלתי רצויים הקשורים לעיבוד נתוני חיישנים.
"אנחנו רוצים ללכוד מידע מישוש רב ככל האפשר, לכן יש ללכוד נתונים ברזולוציה גבוהה ככל האפשר, אולם זה הופך במהירות לתהליך אינטנסיבי במיוחד כאשר מתחילים להכניס חיישנים מרובים למערכת", אמר פורד. "החזקת פתרון מבוסס חומרה הניתן להרחבה המאפשר לנו לנווט בבעיה זו מועיל מאוד בעת שימוש בחיישני מישוש אופטיים על ידיים מרובות אצבעות."
בעתיד, המערכת הרובוטית החדשה מונעת המישוש שנוצרה על ידי צוות חוקרים זה תוכל להשתלב ברובוטים דמויי אדם, ולאפשר להם לטפל בחפצים שבירים או ניתנים לעיוות תוך שיתוף פעולה עם בני אדם במשימות שונות. למרות שפורד ועמיתיו בדקו עד כה בעיקר את המערכת שלהם על משימות הדורשות אחיזה עדינה של חפצים, זה יכול להיות מיושם בקרוב גם על תרחישי אחיזה ומניפולציה אחרים.
"הרזולוציה של נתוני המישוש שאנו יכולים ללכוד מהחיישנים הללו מתקרבת לרזולוציית המישוש האנושית, לכן אנו מאמינים שיש הרבה יותר מידע שאנו יכולים לחלץ מהתמונות המישוש שיאפשרו משימות מניפולציה מורכבות יותר", הוסיף פורד.
"כתוצאה מכך, אנו מפתחים כיום כמה שיטות מתוחכמות יותר כדי לפתור את הכוח הכולל של האחיזה ולקבל הבנה מעמיקה של אופי המגע בכל קצה אצבע בצורה מדויקת יותר. תקוותנו היא למקסם את הפוטנציאל של חיישנים אלה אינטגרציה עם ידיים אנתרופומורפיות תוביל לרובוטים בעלי יכולות מיומנות דומות לאלו של בני אדם".
מידע נוסף: Christopher J. Ford et al, Tactile-Driven Gentle Grasping for Human-RobotCollaborative Tasks, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.09346
Comments