Американські інженери розробили конструкцію маніпулятора, який може робити делікатні та складні операції, як-то працювати з гнучким тістом чи м'яким виноградом, та при цьому бути достатньо точним, щоб взяти всього одну карту з колоди. Маніпулятор має два захвати з трикутними «пальцями» та м'якими, друкованим на 3D-принтері подушечками, які дають йому три ступені свободи та допомагають регулювати силув заємодії. Статтю про робота дослідники представили на конференції Robotics: Science and Systems XVII.
Robotics Science and Systems / YouTube
Якого робота зробили інженери?
Інтерес до м'яких маніпуляторів останнім часом дуже зріс через їхні переваги перед жорсткими конструкціями щодо безпеки. Так у неструктурованих середовищах, куди нам дуже хочеться впровадити роботів та замінити себе на механічній або навіть небезпечній роботі, саме м'які конструкції здатні забезпечити однаково точність із делікатністю та можливістю працювати із різними предметами. Тому і у своїй роботі дослідники з університету Карнегі-Меллон, що у США, вирішили розробити саме м'який маніпулятор. Але з двох паралельних захватів, щоб він мав кращу точність та більшу жорсткість. При цьому вони звернулися до концепції дельта-роботів (delta robots), що мають три ступені свободи. Це дасть інженерам змогу уникати конструкцій з вакуумними захватами або затискачами, які мають меншу точність, чи точніших антропоморфних кінцівок, які потребують складнішої системи керування та дорожчих елементів.
Також перевагою є набагато полегшене моделювання руху робота, тобто не знадобиться багато часу на навчання його маніпуляцій. Він має зворотну кінематику, тобто будь-яка взаємодія передається ієрархічним ланцюжком зверху вниз, що забезпечує швидке і просте управління. Крім того, двигуни робота розміщені в опорній частині, що дає актуатору змогу точно рухатися з невеликою інерцією. Малоінерційний механізм у поєднанні з піддатливим матеріалом подушечок пальців значно знижує імовірність заподіяння шкоди об'єктам і людям при взаємодії. Також, враховуючи, що подушечки друкуються 3D-принтері, а маніпулятор складається із готових деталей, модулі легко замінюються і мають нижчу вартість. До порівняння, антропоморфний маніпулятор Shadow Dexterous Hand коштує від 50 тисяч доларів або простіший трипалий Robotiq — 18 тисяч. Свою ж розробку дослідники оцінили у триста доларів.
Robotics Science and Systems / YouTube
Що він вміє робити?
На відміну від жорстких маніпуляторів, м'якша трикутна конструкція може виконувати більше різних завдань. Під час експериментів новий робот зміг виконати шість завдань: взяти одну виноградинку, вирівняти стос монет та підняти одну з них, взяти гральну карту з колоди, скрутити у рулет шматочок тіста та зірвати одну ягоду з виноградного грона. І хоча більшість захватів можуть справитися із цим завданням, їм необхідні додаткові ступені свободи. А цьому роботу достатньо трьох, що за словами вчених, підтверджує концепцію його універсальності.
Робот зміг обережно взяти одну ягоду винограду, та навіть притискаючи, йому не вдалося розчавити її — трикутна конструкція просто піддалася. Більше того, йому вдалося зірвати ягоду із грона, хоч і за допомогою телеоперації людини, яка допомогла правильно розташувати пальці. Так робот відкрутив виноградину зі стебла та обережно підняв. Монетки інші захоплення також можуть збирати, наприклад, за допомогою паралельно розташованих губок. Однак, цей підхід унеможливлює вилітання монетки через випадково надане занадто велике зусилля. Пальці робота обережно вирівнюють стос монет та беруть верхню, яку потом можуть покрутити у руці. Це завдання демонструє його здатність переміщатися додатковою віссю, яку не можуть використовувати звичайні паралельні захоплення. У завданні з гральною картою маніпулятор використав погладжуючий рух, щоб зрушити верхню карту з іншої частини колоди. Затим друга рука піднімається і стискає карту разом з першою, щоб взяти одну карту. Рух від ковзання до захоплення став можливим завдяки ступеням свободи і піддатливості подушечок маніпулятора. Це завдання робот міг виконувати самостійно, хоча успіх залежав від його початкового положення і орієнтації щодо колоди. Останнє завдання полягало у скручуванні шматка тіста у спіральний рулет. Тут роботу також знадобилася допомога оператора, поки один кінчик пальця утримував тісто на місці, а другий виконував рух, подібний до черпання, щоб потрапити під тісто і проштовхнути його.
Як робот навчився дотику?
Приведення в дію м'яких роботів і управління ними — постійна проблема. У деяких до керування підходять за допомогою методів, заснованих на глибинному навчанні. Наприклад, можна навчити нейромережу зіставляти показання п'єзорезистивного датчика з тривимірною конфігурацією м'якого робота, або використовувати пропріорецептивні датчики для розрізнення об'єктів у руці. Для визначення стану робота використовують зовнішні або внутрішні датчики, але у своїй роботі інженери обійшлися моделюванням кінематики робота, на якій і навчалася нейромережа. Так вона пов'язує положення виконавчого механізму з положенням подушечок на кінцях маніпулятора та використовує здобуті у попередньому навчанні знання. Маніпулятор здійснив рух близько сотнею різних траєкторій по 20 секунд, де нейромережа помилялася у керуванні роботом всього на 0,09 сантиметра. У майбутньому вчені планують дослідити більш тонкі і складні завдання з додаванням датчиків, що забезпечують зворотний зв'язок при взаємодії з об'єктами.
До речі це не перший робот, який може підхоплювати монетки та інші не надто зручні предмети. Наприклад, нещодавно ми писали, як маніпулятор з двома пальцями зміг вхопити монетку зі столу та навіть листочки паперу товщиною всього у пів міліметра. А от дрон з м'якими ніжками зміг поманіпулювати суттєвішими за вагою предметами ще і у польоті. А жорсткі пальці-оригамі з пласких подушечок справилися із найрізноманітнішими формами завдяки своїй деформованості.