Uma estrutura para permitir a preensão robótica aprimorada por toque usando sensores táteis

Para cooperar com sucesso com humanos em tarefas manuais, os robôs devem ser capazes de agarrar e manipular uma variedade de objetos sem deixá-los cair ou danificá-los. Esforços de pesquisa recentes no campo da robótica se concentraram no desenvolvimento de sensores e controladores táteis que poderiam fornecer aos robôs o sentido do tato e aproximar suas capacidades de manipulação de objetos das dos humanos.

Pesquisadores do grupo Dexterous Robotics do Bristol Robotics Laboratory (BRL), da Pisa University e do IIT desenvolveram recentemente um sistema tátil que pode permitir que os robôs agarrem vários objetos de maneira suave e eficaz. Este sistema, apresentado em artigo pré-publicado em arXivcombina um esquema de controle que permite o toque sensível à força com uma mão robótica com um sensor óptico tátil em cada uma das pontas dos dedos.

“A motivação deste trabalho decorre da colaboração entre o grupo Dexterous Robotics do BRL e pesquisadores da Universidade de Pisa e do IIT”, disse Chris Ford, um dos pesquisadores que desenvolveu o sistema tátil, ao Tech Xplore. “O Pisa/IIT tem um design exclusivo de mão robótica (o SoftHand), que é baseado na mão humana. Queríamos combinar o Pisa/IIT SoftHand e o sensor tátil BRL TacTip, pois as duas tecnologias se complementam devido à sua natureza biomimética”.

A SoftHand é uma mão robótica que se assemelha a mãos humanas tanto em forma quanto em função. Originalmente desenvolvida como uma ferramenta protética, esta mão pode agarrar com a mesma sinergia postural que as mãos humanas.

Para o propósito de seu estudo, Ford e seus colegas integraram um sensor óptico tátil em cada uma das pontas dos dedos de um SoftHand. Eles usaram um sensor chamado TacTip, que pode extrair informações de uma pele tátil impressa em 3D com uma estrutura interna que se assemelha à estrutura da pele humana.

“Nossa crença é que a combinação dessas características é a chave para a destreza humana e capacidades de manipulação em robôs”, disse Ford. “Nós exploramos essa possibilidade pela primeira vez em um artigo publicado em 2021, que viu o sensor de ponta do dedo integrado a um dígito do Pisa/IIT SoftHand e comparado. A continuação natural desse trabalho foi integrar sensores em todos os dígitos e instalar a mão em um braço robótico para completar algumas tarefas de preensão e manipulação usando informações táteis das pontas dos dedos como feedback sensorial.”

O principal objetivo do trabalho recente de Ford e seus colegas foi explorar ainda mais o potencial do sistema baseado em SoftHand introduzido em seus trabalhos anteriores, mas adicionando sensores TacTip na ponta dos dedos. Integrando esta versão atualizada de seu sistema com uma estrutura de controle avançada, eles esperavam reproduzir uma preensão humana, sensível à força e suave.

O novo controlador apresentado em seu papel funciona medindo a deformação da pele tátil macia em cada uma das pontas dos dedos do SoftHand. Essa deformação serve como um sinal de feedback que o controlador usa para ajustar a força que a mão está aplicando ao objeto que está segurando.

“Isso é único em comparação com os métodos de controle de pegada mais tradicionais, como o controle da corrente do motor, que pode ser impreciso quando aplicado a garras com uma estrutura ‘suave’, como a SoftHand”, explicou Ford. “Outra característica exclusiva do controlador é que ele usa feedback de 5 sensores táteis ópticos de alta resolução. Os sensores táteis ópticos usam uma câmera para monitorar mudanças na pele tátil e são benéficos devido à grande quantidade de informações táteis que capturam devido à sua resolução mais alta, pois cada pixel da imagem é um nó contendo informações táteis. Para uma imagem tátil com resolução de 1080p, isso se traduz em mais de 2 milhões de nós táteis.”

O uso de vários sensores ópticos ao mesmo tempo normalmente exigiria grande capacidade computacional, pois um único computador precisa capturar simultaneamente imagens de alta resolução de diferentes câmeras para coletar informações táteis a uma velocidade razoável. Para reduzir a carga computacional associada ao seu sistema, Ford e seus colegas desenvolveram um “cérebro” de hardware de processamento paralelo que pode coletar imagens de vários sensores simultaneamente. Isso melhorou muito os tempos de reação de seu controlador de aperto, permitindo que ele alcançasse desempenhos semelhantes aos humanos.

“Os resultados deste trabalho mostram que podemos obter informações táteis complexas com uma sofisticação próxima ao toque humano de várias pontas dos dedos e consolidá-las em um sinal de feedback simples que pode ser usado para aplicar com sucesso agarrões suaves e estáveis ​​a uma ampla gama de objetos, independentemente de geometria e rigidez sem a necessidade de ajustes complexos”, disse Ford. “Outra conquista é o desenvolvimento do ‘cérebro’ de hardware usado para capturar e processar dados táteis de vários sensores de alta resolução ao mesmo tempo.”

A integração de vários sensores melhorou significativamente as capacidades táteis e de detecção do sistema robótico baseado em SoftHand dos pesquisadores. Ao combiná-lo com seu hardware de processamento paralelo e controlador sofisticado, a equipe também melhorou sua capacidade de captar diferentes tipos de objetos de maneira adequada e sem atrasos indesejáveis ​​associados ao processamento de dados do sensor.

“Queremos capturar o máximo possível de informações táteis, portanto, os dados devem ser capturados com a maior resolução possível, no entanto, isso rapidamente se torna um processo intensivo, especialmente quando você começa a introduzir vários sensores no sistema”, disse Ford. “Ter uma solução escalável baseada em hardware que nos permite navegar por esse problema é muito útil ao usar sensores ópticos táteis em mãos com vários dedos.”

No futuro, o novo sistema robótico de base tátil criado por esta equipe de pesquisadores pode ser integrado a robôs humanoides, permitindo que eles manipulem objetos frágeis ou deformáveis ​​enquanto colaboram com humanos em diferentes tarefas. Embora Ford e seus colegas até agora tenham testado seu sistema principalmente em tarefas que exigem a preensão suave de objetos, em breve ele também poderá ser aplicado a outros cenários de preensão e manipulação.

“A resolução dos dados táteis que podemos capturar desses sensores está se aproximando da resolução tátil humana, portanto acreditamos que há muito mais informações que podemos extrair das imagens táteis que permitirão tarefas de manipulação mais complexas”, acrescentou Ford.

“Conseqüentemente, estamos desenvolvendo alguns métodos mais sofisticados para resolver a força geral do aperto e obter uma compreensão aprofundada da natureza do contato em cada ponta do dedo com mais precisão. Nossa esperança é que maximizar o potencial desses sensores em suas a integração com mãos antropomórficas levará a robôs com capacidades hábeis comparáveis ​​às dos humanos”.

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