Robotikos pasaulis susiduria su nuolatiniu iššūkiu: atkartoti sudėtingas jutimo galimybes, kurias natūraliai turi žmonės. Nors robotai padarė nepaprastą pažangą vaizdinio apdorojimo srityje, jie istoriškai stengėsi suderinti niuansuotą lietimo jautrumą, leidžiantį žmonėms lengvai valdyti viską nuo trapių kiaušinių iki sudėtingų įrankių.
Kolumbijos universiteto, Ilinojaus Urbana-Champaign universiteto ir Vašingtono universiteto mokslininkų komanda sukūrė novatorišką sprendimą, pavadintą 3D-ViTac, daugiarūšę jutimo ir mokymosi sistemą, kuri priartina robotus prie žmogaus miklumo. Ši novatoriška sistema sujungia vizualinį suvokimą ir sudėtingą lietimo jutimą, todėl robotai gali atlikti tikslias manipuliacijas, kurios anksčiau buvo laikomos pernelyg sudėtingomis ar rizikingomis.
Aparatūros dizainas
3D-ViTac sistema yra reikšmingas prieinamumo proveržis, nes kiekvienas jutiklio blokas ir skaitymo lenta kainuoja apie 20 USD. Dėl šio dramatiško sąnaudų sumažėjimo, palyginti su tradiciniais lytėjimo jutikliais, kurių kaina gali siekti tūkstančius dolerių, pažangus robotų manipuliavimas tampa labiau prieinamas moksliniams tyrimams ir praktiniams pritaikymams.
Sistemoje yra daug lytėjimo jutiklių, kurių kiekvienas pirštas turi 16 × 16 jutiklių tinklelį. Šie jutikliai pateikia išsamų grįžtamąjį ryšį apie fizinį kontaktą, matuodami prisilietimo buvimą ir jėgą net 3 kvadratinių milimetrų plote. Šis didelės raiškos jutiklis leidžia robotams aptikti subtilius slėgio ir kontaktų modelių pokyčius, kurie yra labai svarbūs tvarkant subtilius objektus.
Vienas iš novatoriškiausių 3D-ViTac aspektų yra jo integravimas su minkštais robotais griebtuvais. Komanda sukūrė lanksčias jutiklių pagalvėles, kurios sklandžiai susijungia su minkštais, prisitaikančiais griebtuvais. Šis derinys suteikia du pagrindinius pranašumus: minkšta medžiaga padidina jutiklių ir objektų sąlyčio plotą, taip pat padidina mechaninį atitikimą, kuris padeda išvengti trapių daiktų pažeidimo.
Sistemos architektūra apima pagal užsakymą sukurtą nuskaitymo grandinę, kuri apdoroja lytėjimo signalus maždaug 32 kadrų per sekundę greičiu, suteikdama grįžtamąjį ryšį realiuoju laiku, leidžiantį robotams dinamiškai reguliuoti savo sukibimo stiprumą ir padėtį. Šis greitas apdorojimas yra labai svarbus norint išlaikyti stabilią kontrolę atliekant sudėtingas manipuliavimo užduotis.
Patobulintos manipuliavimo galimybės
3D-ViTac sistema demonstruoja nepaprastą universalumą atliekant daugybę sudėtingų užduočių, kurios tradiciškai buvo iššūkis robotų sistemoms. Atlikus išsamų testavimą, sistema sėkmingai atliko užduotis, reikalaujančias tikslumo ir gebėjimo prisitaikyti, nuo manipuliavimo trapiais objektais iki sudėtingų, įrankiais pagrįstų operacijų.
Pagrindiniai pasiekimai apima:
- Subtilus daiktų tvarkymas: Sėkmingai sugriebti ir transportuoti kiaušinius ir vynuoges nepažeidžiant
- Sudėtingas įrankių valdymas: Tikslus indų ir mechaninių įrankių valdymas
- Bimanualinis koordinavimas: Sinchronizuotos operacijos dviem rankomis, pavyzdžiui, konteinerių atidarymas ir objektų perkėlimas
- Reguliavimas rankoje: Galimybė pakeisti objektų padėtį išlaikant stabilią kontrolę
Vienas iš svarbiausių 3D-ViTac pažangų yra jos gebėjimas išlaikyti veiksmingą kontrolę net tada, kai vaizdinė informacija yra apribota arba užblokuota. Sistemos lytėjimo grįžtamasis ryšys suteikia svarbios informacijos apie objekto padėtį ir kontaktines jėgas, todėl robotai gali efektyviai veikti net tada, kai jie negali visiškai matyti, kuo manipuliuoja.
Techninės naujovės
Novatoriškiausias sistemos techninis pasiekimas yra sėkmingas vaizdinių ir lytėjimo duomenų integravimas į vieningą 3D vaizdą. Šis metodas atspindi žmogaus jutimo apdorojimą, kai vaizdinė ir lietimo informacija sklandžiai veikia kartu, kad padėtų judesiams ir koregavimui.
Techninė architektūra apima:
- Daugiarūšis duomenų suliejimas, sujungiantis vaizdinius taškų debesis su lytėjimo informacija
- Realaus laiko jutiklių duomenų apdorojimas 32Hz dažniu
- Integracija su sklaidos politika, siekiant pagerinti mokymosi galimybes
- Prisitaikančios grįžtamojo ryšio sistemos jėgos valdymui
Sistemoje naudojami sudėtingi imitavimo mokymosi metodai, leidžiantys robotams mokytis iš žmonių demonstracijų. Šis metodas leidžia sistemai:
- Užfiksuokite ir atkartokite sudėtingas manipuliavimo strategijas
- Pritaikykite išmoktą elgesį prie įvairių sąlygų
- Pagerinkite našumą nuolat praktikuodami
- Sugeneruokite tinkamus atsakymus į netikėtas situacijas
Pažangios aparatinės įrangos ir sudėtingų mokymosi algoritmų derinys sukuria sistemą, kuri gali efektyviai paversti žmogaus parodytus įgūdžius tvirtomis robotų galimybėmis. Tai yra reikšmingas žingsnis į priekį kuriant labiau prisitaikančias ir pajėgesnes robotų sistemas.
Ateities pasekmės ir taikymas
3D-ViTac tobulinimas atveria naujas galimybes automatizuotiems gamybos ir surinkimo procesams. Sistemos gebėjimas tiksliai valdyti subtilius komponentus ir prieinama kaina daro ją ypač patrauklią pramonės šakoms, kuriose tradicinį automatizavimą buvo sunku įgyvendinti.
Galimos programos apima:
- Elektronikos surinkimas
- Maisto tvarkymas ir pakavimas
- Medicinos tiekimo valdymas
- Kokybės kontrolės patikrinimas
- Tikslus dalių surinkimas
Dėl sudėtingo sistemos jutiklinio jautrumo ir tikslių valdymo galimybių ji yra ypač perspektyvi sveikatos priežiūros reikmėms. Nuo medicininių instrumentų tvarkymo iki pagalbos pacientams, ši technologija gali suteikti sudėtingesnę robotų pagalbą medicinos aplinkoje.
Atviras sistemos dizaino pobūdis ir maža kaina gali paspartinti robotikos tyrimus akademinėse ir pramoninėse aplinkose. Tyrėjai įsipareigojo išleisti išsamias techninės įrangos gamybos pamokas, kurios gali paskatinti tolesnes naujoves šioje srityje.
Naujas skyrius robotikoje
3D-ViTac kūrimas yra ne tik techninis pasiekimas; tai žymi esminį pokytį, kaip robotai gali sąveikauti su savo aplinka. Sujungdama prieinamą techninę įrangą su sudėtinga programine įranga, sistema priartina mus prie robotų, kurie gali prilygti žmogaus miklumui ir prisitaikymui.
Šio proveržio pasekmės apima ne tik laboratoriją. Technologijoms bręstant galėjome matyti, kad robotai atlieka vis sudėtingesnes užduotis įvairiose aplinkose – nuo gamybos grindų iki medicinos įstaigų. Sistemos gebėjimas tiksliai valdyti subtilius objektus išlaikant ekonomiškumą gali demokratizuoti prieigą prie pažangių robotikos technologijų.
Nors dabartinė sistema demonstruoja įspūdingas galimybes, tyrėjų komanda pripažįsta ateities plėtros sritis. Galimi patobulinimai apima patobulintas modeliavimo galimybes greitesniam mokymuisi ir platesnius taikymo scenarijus. Technologijoms toliau tobulėjant, galime pastebėti dar sudėtingesnius šio novatoriško robotų manipuliavimo metodo pritaikymus.
