La pince robotique à trois doigts peut “sentir” avec une grande sensibilité sur toute la longueur de chaque doigt – pas seulement au bout –

De nombreuses mains robotiques emballent tous leurs puissants capteurs dans le bout des doigts, de sorte qu’un objet doit être en contact complet avec ces doigts pour être identifié, ce qui peut prendre plusieurs prises. D’autres conceptions utilisent des capteurs de résolution inférieure répartis sur tout le doigt, mais ceux-ci ne capturent pas autant de détails, de sorte que plusieurs prises en main sont souvent nécessaires.

Au lieu de cela, l’équipe du MIT a construit un doigt robotique avec un squelette rigide enfermé dans une couche externe souple qui a plusieurs capteurs haute résolution intégrés sous sa “peau” transparente. Les capteurs, qui utilisent une caméra et des LED pour recueillir des informations visuelles sur la forme d’un objet, fournissent une détection continue sur toute la longueur du doigt. Chaque doigt capture des données riches sur de nombreuses parties d’un objet simultanément.

En utilisant cette conception, les chercheurs ont construit une main robotique à trois doigts capable d’identifier des objets après une seule prise, avec une précision d’environ 85 %. Le squelette rigide rend les doigts suffisamment solides pour saisir un objet lourd, comme une perceuse, tandis que la peau douce leur permet de saisir en toute sécurité un objet pliable, comme une bouteille d’eau en plastique vide, sans l’écraser.

Ces doigts souples et rigides pourraient être particulièrement utiles dans un robot de soins à domicile conçu pour interagir avec une personne âgée. Le robot pourrait soulever un objet lourd d’une étagère avec la même main qu’il utilise pour aider l’individu à prendre un bain.

“Avoir à la fois des éléments souples et rigides est très important dans n’importe quelle main, mais il est tout aussi important de pouvoir effectuer une excellente détection sur une très grande surface, surtout si nous voulons envisager de faire des tâches de manipulation très compliquées comme ce que nos propres mains peuvent faire. Notre objectif avec ce travail était de combiner toutes les choses qui rendent nos mains humaines si bonnes dans un doigt robotique qui peut faire des tâches que d’autres doigts robotiques ne peuvent pas faire actuellement », explique Sandra Liu, étudiante diplômée en génie mécanique, co-auteure principale d’un article de recherche. sur le doigt robotique.

Liu a écrit l’article avec le co-auteur principal et étudiant de premier cycle en génie mécanique Leonardo Zamora Yañez et son conseiller, Edward Adelson, professeur John et Dorothy Wilson de sciences de la vision au département des sciences du cerveau et cognitives et membre de l’informatique et des sciences artificielles. Laboratoire de renseignement (CSAIL). La recherche sera présentée à la conférence RoboSoft.

Un doigt d’inspiration humaine

Le doigt robotique est composé d’un endosquelette rigide imprimé en 3D qui est placé dans un moule et enfermé dans une « peau » en silicone transparente. Faire le doigt dans un moule élimine le besoin d’attaches ou d’adhésifs pour maintenir le silicone en place.

Les chercheurs ont conçu le moule avec une forme incurvée afin que les doigts robotiques soient légèrement incurvés au repos, tout comme les doigts humains.

“Le silicone se froisse lorsqu’il se plie, nous avons donc pensé que si nous avions le doigt moulé dans cette position incurvée, lorsque vous le courbez davantage pour saisir un objet, vous n’induirez pas autant de rides. Les rides sont bonnes à certains égards — ils peuvent aider le doigt à glisser le long des surfaces de manière très fluide et facile, mais nous ne voulions pas de rides que nous ne pouvions pas contrôler », explique Liu.

L’endosquelette de chaque doigt contient une paire de capteurs tactiles détaillés, connus sous le nom de capteurs GelSight, intégrés dans les sections supérieure et centrale, sous la peau transparente. Les capteurs sont placés de manière à ce que la portée des caméras se chevauche légèrement, donnant au doigt une détection continue sur toute sa longueur.

Le capteur GelSight, basé sur une technologie pionnière dans le groupe Adelson, est composé d’une caméra et de trois LED colorées. Lorsque le doigt saisit un objet, la caméra capture des images alors que les LED colorées illuminent la peau de l’intérieur.

En utilisant les contours éclairés qui apparaissent dans la peau douce, un algorithme effectue des calculs en arrière pour cartographier les contours sur la surface de l’objet saisi. Les chercheurs ont formé un modèle d’apprentissage automatique pour identifier des objets à l’aide de données d’image brutes de la caméra.

Alors qu’ils affinaient le processus de fabrication des doigts, les chercheurs se sont heurtés à plusieurs obstacles.

Premièrement, le silicone a tendance à se décoller avec le temps. Liu et ses collaborateurs ont découvert qu’ils pouvaient limiter ce pelage en ajoutant de petites courbes le long des charnières entre les articulations de l’endosquelette.

Lorsque le doigt se plie, la flexion du silicone est répartie le long des minuscules courbes, ce qui réduit le stress et évite le pelage. Ils ont également ajouté des plis aux joints afin que le silicone ne soit pas autant écrasé lorsque le doigt se plie.

Lors du dépannage de leur conception, les chercheurs ont réalisé que les rides dans le silicone empêchaient la peau de se déchirer.

“L’utilité des rides a été une découverte accidentelle de notre part. Lorsque nous les avons synthétisées en surface, nous avons constaté qu’elles rendaient en fait le doigt plus durable que prévu”, dit-elle.

Avoir une bonne prise

Une fois qu’ils ont perfectionné la conception, les chercheurs ont construit une main robotique à l’aide de deux doigts disposés en forme de Y avec un troisième doigt comme pouce opposé. La main capture six images lorsqu’elle saisit un objet (deux de chaque doigt) et envoie ces images à un algorithme d’apprentissage automatique qui les utilise comme entrées pour identifier l’objet.

Parce que la main a une détection tactile couvrant tous ses doigts, elle peut collecter des données tactiles riches à partir d’une seule prise.

“Bien que nous ayons beaucoup de détection dans les doigts, peut-être que l’ajout d’une paume avec détection aiderait à améliorer encore les distinctions tactiles”, déclare Liu.

À l’avenir, les chercheurs souhaitent également améliorer le matériel pour réduire l’usure du silicone au fil du temps et ajouter plus d’actionnement au pouce afin qu’il puisse effectuer une plus grande variété de tâches.

Ce travail a été soutenu, en partie, par le Toyota Research Institute, l’Office of Naval Research et le projet SINTEF BIFROST.