Um novo sistema para detecção de forma e contato de robôs contínuos

Na natureza, muitos organismos, como polvos com seus tentáculos flexíveis ou elefantes com suas trombas, exibem destreza notável. Inspirados por essas estruturas naturais, os pesquisadores visam desenvolver robôs contínuos altamente flexíveis que ofereçam robustez e segurança.

Idealmente, um robô contínuo é caracterizado por muitos graus de liberdade (DOFs) e o número de juntas, mais do que o necessário para a maioria das tarefas. Essas características permitem que eles ajustem e modifiquem sua forma dinamicamente, permitindo que evitem obstáculos e situações inesperadas. No entanto, seus movimentos complexos dificultam a caracterização de sua forma e movimento.

Técnicas analíticas tradicionais para obter soluções para problemas cinemáticos e dinâmicos de robôs contínuos dependem de modelagem complexa, aumentando o custo computacional. Alternativamente, sensores flexíveis incorporados em robôs contínuos podem ser usados ​​para rastrear sua forma e movimento, mas esse método requer muitos sensores de baixa resolução, tornando o sistema pesado.

Uma solução mais promissora é empregar um único módulo de detecção no final de um robô contínuo. No entanto, estudos anteriores nessa direção se concentraram principalmente na postura do robô e não abordaram a detecção de contato.

Abordando essa lacuna, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo Professor Associado Van Anh Ho do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), desenvolveu um novo sistema chamado ConTac. Este sistema pode estimar a forma e o contato de um braço robótico com pele macia.

O Dr. Ho explica: “O objetivo final deste sistema é ser implementado em um robô contínuo, mas neste estudo, nos concentramos na percepção usando um braço robótico articulado e pele macia para verificação.”

A equipe incluiu os alunos do curso de doutorado Tuan Tai Nguyen e Quan Khanh Luu do JAIST, bem como o Dr. Dinh Quang Nguyen da universidade VNU-UET em Hanói. O estudo deles foi apresentado na conferência Robotics: Science and Systems (RSS 2024) realizada em Delft, Holanda, de 15 a 19 de julho.

O sistema ConTac consiste em uma espinha dorsal que imita a flexão de um robô contínuo, pele macia com marcadores, uma câmera para observar a deformação da pele, modelos para detecção de forma e contato da pele e um regime de controle com reconhecimento de contato. Este sistema pode ser aplicado a qualquer unidade ConTac ou qualquer outro robô com o mesmo mecanismo e forma sem qualquer calibração.

Uma unidade ConTac é um braço robótico emulado de continuum montado com uma espinha dorsal e pele macia. Os pesquisadores também desenvolveram um controlador baseado em admitância para este sistema que usa informações perceptuais para guiar os movimentos do braço robótico. Além disso, a unidade ConTac é econômica e pode ser fabricada a partir de materiais convencionais

Este sistema inovador emprega dois modelos de deep-learning para reconstrução de forma e detecção de contato da pele macia contínua. Esses modelos foram treinados inteiramente usando imagens de simulação e, então, foram diretamente adaptados a robôs reais sem ajustes finos, economizando tempo e recursos. A transferibilidade do sistema foi testada em duas unidades ConTac diferentes, que tiveram desempenho semelhante sem quaisquer ajustes adicionais.

Destacando a importância deste estudo, o Dr. Ho observa: “O sistema ConTac tem como objetivo ser usado em uma variedade de sistemas robóticos sem a necessidade de ajustes complexos. Braços robóticos flexíveis equipados com nosso sistema são ideais para agricultura inteligente e serviços de saúde, onde os robôs devem navegar em ambientes com muitos obstáculos e interagir com segurança com humanos.

“Sua maciez e flexibilidade, combinadas com a capacidade de sentir o ambiente ao redor, os tornam perfeitos para interagir com plantas e pacientes.”

Os princípios de detecção e controle usados ​​nesta estrutura podem levar a novos sensores táteis que podem ser acoplados a qualquer sistema robótico existente, oferecendo novos paradigmas de detecção e controle para interação segura entre humanos e robôs sem alterar o design original do robô.

O Dr. Ho conclui: “Imagine uma sociedade onde cada robô e máquina possui um sentido de tato. Essa transformação revolucionaria as indústrias e a vida diária.”