Mão robótica pode identificar objetos com apenas um aperto

Inspirados no dedo humano, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma mão robótica que usa detecção de toque de alta resolução para identificar com precisão um objeto depois de segurá-lo apenas uma vez.

Muitas mãos robóticas colocam todos os seus poderosos sensores nas pontas dos dedos, de modo que um objeto deve estar em contato total com as pontas dos dedos para ser identificado, o que pode exigir vários apertos. Outros projetos usam sensores de resolução mais baixa espalhados ao longo de todo o dedo, mas eles não capturam tantos detalhes, portanto, muitas vezes são necessários vários recaps.

Em vez disso, a equipe do MIT construiu um dedo robótico com um esqueleto rígido envolto em uma camada externa macia que possui vários sensores de alta resolução incorporados sob sua “pele” transparente. Os sensores, que usam uma câmera e LEDs para coletar informações visuais sobre a forma de um objeto, fornecem detecção contínua ao longo de todo o comprimento do dedo. Cada dedo captura dados ricos em muitas partes de um objeto simultaneamente.

Usando esse design, os pesquisadores construíram uma mão robótica de três dedos que poderia identificar objetos após apenas um aperto, com cerca de 85% de precisão. O esqueleto rígido torna os dedos fortes o suficiente para pegar um item pesado, como uma furadeira, enquanto a pele macia permite que eles segurem com segurança um item flexível, como uma garrafa plástica vazia de água, sem esmagá-lo.

Esses dedos macios e rígidos podem ser especialmente úteis em um robô de atendimento domiciliar projetado para interagir com um indivíduo idoso. O robô poderia levantar um item pesado de uma prateleira com a mesma mão que usa para ajudar o indivíduo a tomar banho.

“Ter elementos macios e rígidos é muito importante em qualquer mão, mas também é capaz de realizar uma grande detecção em uma área realmente grande, especialmente se quisermos considerar a realização de tarefas de manipulação muito complicadas, como as que nossas próprias mãos podem fazer. Nosso objetivo com este trabalho foi combinar todas as coisas que tornam nossas mãos humanas tão boas em um dedo robótico que pode fazer tarefas que outros dedos robóticos não podem fazer atualmente”, disse a estudante de engenharia mecânica Sandra Liu, co-autora principal de um trabalho de pesquisa no dedo robótico.

Liu escreveu o artigo com o coautor principal e aluno de graduação em engenharia mecânica Leonardo Zamora Yañez e seu orientador, Edward Adelson, professor de Ciência da Visão John e Dorothy Wilson no Departamento de Ciências do Cérebro e Cognitivas e membro do Comitê de Ciência da Computação e Artificial Laboratório de Inteligência (CSAIL). A pesquisa será apresentada na Conferência RoboSoft em Cingapura, realizada de 3 a 7 de abril. Já está disponível no arXiv servidor de pré-impressão.

Um dedo de inspiração humana

O dedo robótico é composto por um endosqueleto rígido impresso em 3D que é colocado em um molde e envolto em uma “pele” de silicone transparente. Fazer o dedo em um molde elimina a necessidade de fixadores ou adesivos para manter o silicone no lugar.

Os pesquisadores projetaram o molde com uma forma curva para que os dedos robóticos fiquem ligeiramente curvados quando em repouso, assim como os dedos humanos.

“O silicone enruga quando dobra, então pensamos que, se moldarmos o dedo nessa posição curva, quando você o curvar mais para agarrar um objeto, não induzirá tantas rugas. As rugas são boas em alguns aspectos – elas pode ajudar o dedo a deslizar pelas superfícies com muita suavidade e facilidade – mas não queríamos rugas que não pudéssemos controlar”, diz Liu.

O endosqueleto de cada dedo contém um par de sensores de toque detalhados, conhecidos como sensores GelSight, embutidos nas seções superior e intermediária, sob a pele transparente. Os sensores são colocados de forma que o alcance das câmeras se sobreponha ligeiramente, dando ao dedo uma detecção contínua ao longo de todo o seu comprimento.

O sensor GelSight, baseado em tecnologia pioneira no grupo Adelson, é composto por uma câmera e três LEDs coloridos. Quando o dedo agarra um objeto, a câmera captura imagens enquanto os LEDs coloridos iluminam a pele por dentro.

Usando os contornos iluminados que aparecem na pele macia, um algoritmo realiza cálculos inversos para mapear os contornos na superfície do objeto agarrado. Os pesquisadores treinaram um modelo de aprendizado de máquina para identificar objetos usando dados brutos de imagens de câmeras.

Enquanto ajustavam o processo de fabricação do dedo, os pesquisadores se depararam com vários obstáculos.

Primeiro, o silicone tende a descascar as superfícies com o tempo. Liu e seus colaboradores descobriram que poderiam limitar essa descamação adicionando pequenas curvas ao longo das dobradiças entre as juntas do endosqueleto.

Quando o dedo dobra, a dobra do silicone é distribuída ao longo das pequenas curvas, o que reduz o estresse e evita a descamação. Eles também adicionaram vincos nas juntas para que o silicone não seja tão esmagado quando o dedo se dobra.

Ao solucionar problemas de seu design, os pesquisadores perceberam que as rugas no silicone impedem que a pele rasgue.

“A utilidade das rugas foi uma descoberta acidental de nossa parte. Quando as sintetizamos na superfície, descobrimos que elas realmente tornavam o dedo mais durável do que esperávamos”, diz ela.

Conseguir uma boa compreensão

Depois de aperfeiçoar o design, os pesquisadores construíram uma mão robótica usando dois dedos dispostos em um padrão Y com um terceiro dedo como polegar oposto. A mão captura seis imagens quando agarra um objeto (duas de cada dedo) e envia essas imagens para um algoritmo de aprendizado de máquina que as usa como entradas para identificar o objeto.

Como a mão possui um sensor tátil que cobre todos os seus dedos, ela pode coletar dados táteis ricos de um único aperto.

“Embora tenhamos muitos sentidos nos dedos, talvez adicionar uma palma com detecção ajudasse a tornar as distinções táteis ainda melhores”, diz Liu.

No futuro, os pesquisadores também querem melhorar o hardware para reduzir a quantidade de desgaste no silicone ao longo do tempo e adicionar mais atuação ao polegar para que ele possa realizar uma variedade maior de tarefas.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.