دنیای رباتیک با یک چالش دائمی مواجه است: تکرار قابلیت های حسی پیچیده ای که انسان ها به طور طبیعی دارند. در حالی که ربات‌ها پیشرفت‌های چشمگیری در پردازش بصری داشته‌اند، در طول تاریخ تلاش کرده‌اند تا با حساسیت لمس ظریفی که به انسان اجازه می‌دهد همه چیز را از تخم‌های شکننده گرفته تا ابزارهای پیچیده را به راحتی مدیریت کند، مطابقت داشته‌اند.
تیمی از محققان دانشگاه کلمبیا، دانشگاه ایلینویز اوربانا شامپین و دانشگاه واشنگتن راه حلی نوآورانه به نام 3D-ViTacیک سیستم سنجش و یادگیری چندوجهی که ربات ها را به مهارت انسان مانند نزدیک می کند. این سیستم نوآورانه ادراک بصری را با حسگر لمسی پیچیده ترکیب می‌کند و ربات‌ها را قادر می‌سازد تا دستکاری‌های دقیقی را انجام دهند که قبلاً بسیار پیچیده یا خطرناک تلقی می‌شدند.
طراحی سخت افزار
سیستم 3D-ViTac نشان دهنده یک پیشرفت قابل توجه در دسترسی است، به طوری که هر پد حسگر و تخته خواندن تقریباً 20 دلار هزینه دارد. این کاهش چشمگیر هزینه، در مقایسه با حسگرهای لمسی سنتی که می‌توانند هزاران دلار هزینه داشته باشند، دستکاری رباتیک پیشرفته را برای تحقیقات و کاربردهای عملی در دسترس‌تر می‌سازد.
این سیستم دارای مجموعه ای متراکم از حسگرهای لمسی است که هر انگشت آن مجهز به شبکه حسگر ۱۶×۱۶ است. این حسگرها بازخورد دقیقی را در مورد تماس فیزیکی ارائه می‌کنند و حضور و نیروی لمس را در ناحیه‌ای به کوچکی 3 میلی‌متر مربع اندازه‌گیری می‌کنند. این حسگر با وضوح بالا ربات ها را قادر می سازد تا تغییرات ظریف در فشار و الگوهای تماس را تشخیص دهند که برای دست زدن به اشیاء ظریف بسیار مهم است.
یکی از نوآورانه ترین جنبه های 3D-ViTac ادغام آن با گیره های رباتیک نرم است. این تیم پدهای حسگر انعطاف پذیری را توسعه دادند که به طور یکپارچه با گیره های نرم و سازگار متصل می شوند. این ترکیب دو مزیت کلیدی دارد: مواد نرم سطح تماس بین سنسورها و اشیاء را افزایش می‌دهد، در حالی که انطباق مکانیکی را اضافه می‌کند که به جلوگیری از آسیب به اقلام شکننده کمک می‌کند.
معماری سیستم شامل یک مدار بازخوانی طراحی‌شده سفارشی است که سیگنال‌های لمسی را با سرعت تقریبی 32 فریم در ثانیه پردازش می‌کند و بازخورد بلادرنگ را ارائه می‌کند که به ربات‌ها اجازه می‌دهد قدرت گرفتن و موقعیت خود را به صورت پویا تنظیم کنند. این پردازش سریع برای حفظ کنترل پایدار در طول کارهای پیچیده دستکاری بسیار مهم است.
قابلیت های دستکاری پیشرفته
سیستم 3D-ViTac تطبیق پذیری قابل توجهی را در طیف وسیعی از وظایف پیچیده نشان می دهد که به طور سنتی سیستم های رباتیک را به چالش می کشند. از طریق آزمایش گسترده، سیستم با موفقیت وظایفی را که به دقت و سازگاری نیاز دارد، از دستکاری اشیاء شکننده تا انجام عملیات پیچیده مبتنی بر ابزار، انجام داد.
دستاوردهای کلیدی عبارتند از:
- رسیدگی به اشیاء ظریف: گرفتن و حمل موفقیت آمیز تخم و انگور بدون آسیب
- دستکاری ابزار پیچیده: کنترل دقیق ظروف و ابزار مکانیکی
- هماهنگی دو دستی: عملیات دو دستی همزمان مانند باز کردن ظروف و انتقال اشیا
- تنظیمات در دست: امکان تغییر موقعیت اشیا با حفظ کنترل پایدار
یکی از مهم ترین پیشرفت هایی که توسط 3D-ViTac نشان داده شده است، توانایی آن در حفظ کنترل موثر حتی زمانی که اطلاعات بصری محدود یا مسدود شده است، است. بازخورد لمسی سیستم اطلاعات مهمی در مورد موقعیت جسم و نیروهای تماس ارائه می‌کند و به ربات‌ها اجازه می‌دهد حتی زمانی که نمی‌توانند به طور کامل آنچه را که دستکاری می‌کنند ببینند، به طور موثر عمل کنند.
نوآوری فنی
پیشگامانه ترین دستاورد فنی سیستم، ادغام موفقیت آمیز داده های بصری و لمسی در یک نمایش سه بعدی یکپارچه است. این رویکرد پردازش حسی انسان را منعکس می کند، جایی که اطلاعات بصری و لمسی به طور یکپارچه با هم کار می کنند تا حرکات و تنظیمات را هدایت کنند.
معماری فنی شامل:
- ترکیب داده های چند وجهی که ابرهای نقطه بصری را با اطلاعات لمسی ترکیب می کند
- پردازش بیدرنگ داده های حسگر در 32 هرتز
- ادغام با سیاست های انتشار برای بهبود قابلیت های یادگیری
- سیستم های بازخورد تطبیقی برای کنترل نیرو
این سیستم از تکنیک‌های یادگیری تقلیدی پیچیده استفاده می‌کند و به روبات‌ها اجازه می‌دهد از نمایش‌های انسانی یاد بگیرند. این رویکرد سیستم را قادر می سازد:
- استراتژی های دستکاری پیچیده را ضبط و تکرار کنید
- رفتارهای آموخته شده را با شرایط مختلف تطبیق دهید
- بهبود عملکرد از طریق تمرین مداوم
- پاسخ های مناسب را به موقعیت های غیر منتظره ایجاد کنید
ترکیبی از سخت‌افزار پیشرفته و الگوریتم‌های یادگیری پیچیده، سیستمی را ایجاد می‌کند که می‌تواند مهارت‌های نشان‌داده‌شده توسط انسان را به‌طور مؤثری به قابلیت‌های روباتیک قوی تبدیل کند. این نشان دهنده یک گام مهم رو به جلو در ایجاد سیستم های روباتیک سازگارتر و توانمندتر است.
مفاهیم و کاربردهای آینده
توسعه 3D-ViTac فرصت های جدیدی را برای فرآیندهای تولید و مونتاژ خودکار باز می کند. توانایی این سیستم برای رسیدگی به اجزای ظریف با دقت، همراه با قیمت مقرون به صرفه آن، آن را به ویژه برای صنایعی که پیاده سازی اتوماسیون سنتی چالش برانگیز بوده است، جذاب می کند.
کاربردهای بالقوه عبارتند از:
- مونتاژ الکترونیک
- حمل و نقل و بسته بندی مواد غذایی
- مدیریت تامین پزشکی
- بازرسی کنترل کیفیت
- مونتاژ قطعات دقیق
حساسیت لمسی پیچیده و قابلیت های کنترل دقیق این سیستم، آن را به ویژه برای برنامه های مراقبت های بهداشتی امیدوارکننده می کند. از دست زدن به ابزار پزشکی گرفته تا کمک به مراقبت از بیمار، این فناوری می‌تواند کمک‌های رباتیک پیچیده‌تری را در محیط‌های پزشکی فعال کند.
ماهیت باز طراحی سیستم و هزینه کم آن می تواند تحقیقات رباتیک را در محیط های دانشگاهی و صنعتی تسریع بخشد. محققان متعهد شده‌اند که آموزش‌های جامعی را برای ساخت سخت‌افزار منتشر کنند که به طور بالقوه باعث نوآوری‌های بیشتر در این زمینه می‌شود.
فصل جدید در رباتیک
توسعه 3D-ViTac بیش از یک دستاورد فنی است. این نشان دهنده یک تغییر اساسی در نحوه تعامل روبات ها با محیط خود است. با ترکیب سخت افزار مقرون به صرفه با یکپارچه سازی نرم افزار پیچیده، این سیستم ما را به روبات هایی نزدیک می کند که می توانند با مهارت و سازگاری انسان مطابقت داشته باشند.
پیامدهای این پیشرفت فراتر از آزمایشگاه است. همانطور که این فناوری به بلوغ می رسد، ما می توانیم ببینیم ربات ها وظایف پیچیده تری را در تنظیمات مختلف، از طبقه های تولیدی گرفته تا امکانات پزشکی، انجام می دهند. توانایی این سیستم برای رسیدگی به اجسام ظریف با دقت و در عین حال مقرون به صرفه بودن می تواند دسترسی به فناوری پیشرفته روباتیک را دموکراتیک کند.
در حالی که سیستم فعلی قابلیت های چشمگیری را نشان می دهد، تیم تحقیقاتی زمینه هایی را برای توسعه آینده تصدیق می کند. پیشرفت‌های بالقوه شامل قابلیت‌های شبیه‌سازی افزایش یافته برای یادگیری سریع‌تر و سناریوهای کاربردی گسترده‌تر است. همانطور که فناوری به تکامل خود ادامه می دهد، ممکن است شاهد کاربردهای پیچیده تری از این رویکرد پیشگامانه برای دستکاری رباتیک باشیم.
