Štíhlý robotický prst pro snímání zasypaných předmětů

11. října 2021  ·  Mgr. Zdeňka Březinová

Robotický průmysl v posledních několika desetiletích pokročil významně kupředu a dnešní roboti jsou v otevřeném prostoru schopni identifikovat řadu nejrůznějších předmětů. Problematické stále zůstává rozpoznávání objektů v zrnitém materiálu, jako je písek. Aby robot mohl do těchto struktur vůbec proniknout, potřebuje dostatečně štíhlé prsty, které budou zároveň natolik pohyblivé, aby se dokázaly uvolnit, když se v zrncích písku zaseknou, a dostatečně citlivé, aby detailně vnímaly tvar zakopaného předmětu.

Ve snaze se s tímto problémem vypořádat navrhli nyní vědci z MIT robotický prst s ostrým hrotem vybaveným hmatovým snímačem. Pojmenovali jej výstižně Digger Finger (kopající prst), neboť je schopen prokopat se skrze granuláty, jako je písek či rýže, a správně „vycítit“ tvary předmětů, s nimiž přišel do kontaktu. Vědci tvrdí, že robot může jednoho dne být schopen podpovrchových operací jako například vyhledávání zahloubených kabelů nebo deaktivace zakopaných bomb.

Zmíněný výzkum bude představen na příštím Mezinárodním sympoziu experimentální robotiky. Hlavním autorem studie je Radhen Patel, postdoktorand v laboratoři MIT pro informatiku a umělou inteligenci (MIT’s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, CSAIL), který na tomto projektu spolupracuje s ostatními spoluautory a členy vývojového týmu z CSAIL a Harvardské univerzity.

Snaha o identifikaci objektů zakopaných v zrnitém materiálu (písek, štěrk a jiné druhy sypkých částeček) není nikterak nová. Výzkumníci dříve pro snímání podzemí seshora používali například radar nebo ultrazvukové vibrace. Tyto techniky však poskytují pouze nejasný pohled na zanořené objekty a mohou mít problém například při rozlišování kamene od kosti apod. Cílem projektu bylo tedy vytvořit prst s dobrou dotekovou rozlišovací schopností, což znamenalo překonání řady technických překážek.

Nejprve bylo zapotřebí zvolit správnou fyzickou formu. Robotický prst musel být štíhlý a ostrý. Dříve vědci používali hmatový senzor s názvem GelSight. Senzor sestával z čirého gelu pokrytého reflexní membránou, která se deformovala v místech, v nichž přišla do kontaktu s předměty. Za membránou byla ukryta LED světla o třech barvách a kamera. Světelné paprsky dopadaly skrz gel na membránu a kamera zabírala jejich odraz od povrchu membrány. Počítačové vizuální algoritmy poté extrahovaly 3D tvar kontaktní oblasti, kterou se měkký prst dotknul objektu. Toto zařízení vykazovalo skvělou detekci, bylo však velmi robustní.

Při vývoji prstu Digger Finger tedy vědci senzor zeštíhlili. Nejprve upravili tvar robota na štíhlý válec se zkosenou špicí a následně nahradili dvě třetiny LED světel kombinací modrého LED světla a barevné fluorescenční barvy. Přístroj byl tímto zjednodušen a rovněž se stal kompaktnějším. Konečný produkt tak obsahoval zařízení, jehož hmatová snímací membrána zabírala cca 2 cm2, podobně jako špička prstu.

Následně vědci obrátili svou pozornost na způsob pohybu. Upevnili prst na robotické rameno a nechali jej prohrabovat jemnozrnný písek a hrubozrnnou rýži. Granulární média mají tendenci se zadírat, což robotovi komplikuje pohyb. Vývojáři jej tedy vybavili schopností vibrace a provedli sérii testů. Vyzkoušeli vibrační motor při různých provozních napětích, tedy při různých amplitudách a frekvencích a zjistili, že rychlé vibrace pomohly zrnitá média „ztekutit“, tedy že eliminovaly zadrhávání zrnek a umožnily tak prstu se zavrtat hlouběji. Lépe tento postup fungoval v případě rýže, zatímco průnik pískem byl obtížnější.

V obou médiích vyzkoušeli vědci rovněž kroutivý pohyb, při němž se však zrnka mezi membránou a zasypaným předmětem zasekávala. U také rýže vyvstával problém s velikostí zrnek, která příliš zakrývala tvar objektu. Přes písek bylo sice možno obrysy objektu zachytit, ale z membrány se odstraňoval hůře, než rýže, u níž k tomu postačily drobné vibrace. V další fázi výzkumu tedy bude nutno upravit pohyb zařízení a naprogramovat různá nastavení v závislosti na typu média a na velikosti a tvaru zrn.

Dále má VaV tým v plánu pokračovat optimalizaci schopnosti robotického prstu procházet rozličnými médii. Součástí programu rozšiřujícího domény, ve kterých lze přístroj používat, budou také složitá prostředí, v nichž běžně používají prsty lidé. A to od prostého lovení klíčů v kapse u kalhot až po taktilní detekci nádoru během operace.

Ve finále by pak vědci svůj vynález rovněž rádi naučili rozlišovat mezi věcmi, které jsou dle různých kritérií důležité, a které nikoli.

Tento výzkum je zčásti financován Výzkumným ústavem Toyota (Toyota Research Institute) prostřednictvím Společného výzkumného střediska Toyota-CSAIL (Toyota-CSAIL Joint Research Center), zčásti pak Úřadem pro námořní výzkum (Office of Naval Research) a Norskou radou pro výzkum (Research Council of Norway).

Zdrojový článek: https://www.rdworldonline.com/?s=Slender+robotic+finger+senses+buried+items

Ukázka robotického prstu v akci: https://youtu.be/FG-dnolzeNA