Мягкий захват: тактильные датчики нового поколения

Автор: Денис Аветисян

Новая разработка объединяет гибкую конструкцию и компьютерное зрение для надежного и точного захвата объектов.

Сравнительный анализ трех непрямых тактильных захватов типа «Fin-Ray» демонстрирует вариативность конструкций в достижении эффективного и адаптивного захвата объектов, выявляя нюансы в их способности к манипулированию различными формами и текстурами.

Представлена система тактильного сенсора для мягких роботов, использующая Fin-Ray структуру и анализ деформаций на основе компьютерного зрения для одновременного измерения местоположения и глубины контакта.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Несмотря на успехи в области мягкой робототехники, надежное тактильное восприятие остается сложной задачей. В статье «TacFinRay: Soft Tactile Fin-Ray Finger with Indirect Tactile Sensing for Robust Grasping» представлен новый подход к тактильному восприятию, использующий мягкий палец Fin-Ray и косвенное измерение деформации с помощью компьютерного зрения. Разработанная система позволяет одновременно определять местоположение и глубину контакта, не требуя сложного моделирования или непосредственного контакта датчиков с объектом. Открывает ли это путь к созданию более надежных и универсальных систем захвата для роботов, работающих в сложных условиях?

За гранью прямого контакта: Поиск косвенных признаков осязания

Традиционные роботизированные тактильные сенсоры зачастую полагаются на прямой физический контакт с объектом, что создает определенные ограничения в сложных и динамичных средах. Непосредственное взаимодействие с поверхностью подвержено износу, а также может быть неэффективным при работе с хрупкими или деформируемыми предметами. В ситуациях, когда требуется манипулирование объектами сложной формы или в условиях высокой неопределенности, зависимость от прямого контакта снижает надежность и точность захвата. Постоянное механическое воздействие на сенсорные элементы также сокращает срок их службы и требует регулярного обслуживания, что усложняет эксплуатацию робототехнических систем в реальных условиях.

Для обеспечения надежной и адаптивной манипуляции роботами, современные методы тактильного восприятия все чаще отказываются от прямой зависимости исключительно от измерения силы. Вместо этого, акцент смещается на разработку систем, способных выводить информацию о контакте, анализируя косвенные признаки, такие как деформация материала или изменение распределения давления. Такой подход позволяет роботу «ощупывать» объекты, не оказывая на них чрезмерного воздействия, что особенно важно при работе с хрупкими или деликатными предметами. Это позволяет не только повысить точность захвата, но и снизить риск повреждения объекта, делая манипуляции более гибкими и безопасными в сложных и непредсказуемых условиях. Вместо простого определения наличия или отсутствия контакта, такие системы способны оценивать форму, текстуру и жесткость объекта, что открывает новые возможности для автоматизированной сборки, инспекции и других задач.

Вместо традиционного подхода, ориентированного на непосредственное измерение силы при контакте, современные исследования в области тактильных датчиков всё чаще сосредотачиваются на анализе деформации структуры объекта. Этот инновационный подход позволяет получать информацию о контакте, даже если нет прямого силового взаимодействия. Идея заключается в том, что изменение формы материала — будь то небольшое искривление или локальная деформация — служит надёжным индикатором наличия и местоположения контакта. Такой метод особенно важен в сложных условиях, где прямое измерение силы затруднено или невозможно, например, при работе с деликатными или неровными поверхностями. Использование структурной деформации в качестве прокси для контакта открывает возможности для создания более надёжных и адаптивных роботизированных систем, способных к точному и бережному манипулированию объектами.

Повышение ловкости и надёжности захвата роботами напрямую связано с воспроизведением чувствительности биологических пальцев. Исследования показывают, что человеческая кожа, особенно на кончиках пальцев, обладает сложной сетью механорецепторов, способных улавливать мельчайшие деформации и вибрации, что позволяет определить форму, текстуру и твёрдость объекта без приложения значительного усилия. Подражая этой структуре и используя аналогичные принципы в разработке роботизированных тактильных сенсоров, ученые стремятся создать системы, способные не только обнаруживать контакт, но и «чувствовать» объект, обеспечивая более плавные, точные и безопасные манипуляции. Использование деформируемых материалов и продвинутых алгоритмов обработки сигналов позволяет приблизить роботизированные пальцы к чувствительности и адаптивности своих биологических аналогов, открывая новые возможности для автоматизации сложных задач, требующих тонкой моторики и обратной связи.

Предложенная тактильная конструкция пальца Fin-Ray, совместно с экспериментальной установкой, позволяет определять местоположение и глубину контакта по деформации маркеров, зафиксированных камерой.

«Fin-Ray»: Палец, вдохновленный скелетной структурой

Палец Fin-Ray использует деформацию гибкой структуры для косвенного определения контакта, обходя ограничения, присущие прямому измерению силы. В отличие от традиционных датчиков, полагающихся на пьезоэлектрические или тензометрические элементы, Fin-Ray определяет контакт не по величине приложенной силы, а по степени деформации специально спроектированной гибкой конструкции. Такой подход позволяет избежать проблем, связанных с калибровкой, чувствительностью к шумам и хрупкостью, часто встречающихся в прямых датчиках силы. Измерение деформации осуществляется с помощью различных методов, включая оптические датчики или энкодеры, что позволяет получить информацию о контакте без непосредственного измерения силы.

Конструкция «Fin-Ray» пальца вдохновлена скелетной структурой биологических пальцев, в частности, принципом последовательного соединения костей и суставов. Вместо жестких элементов используются податливые механизмы, позволяющие пальцу адаптироваться к форме и неровностям соприкасаемых объектов. Такая конструкция обеспечивает более широкую область контакта и снижает риск повреждения как объекта, так и самого пальца, а также повышает устойчивость к внешним воздействиям и деформациям. Принцип использования последовательно соединенных сегментов позволяет достичь высокой степени свободы и гибкости, что критически важно для выполнения сложных манипуляций и точного определения характеристик поверхности.

Ключевым элементом конструкции является нижняя перекладина (Bottom Crossbeam), деформация которой контролируется при контакте с объектом. Эта перекладина изготовлена из гибкого материала и спроектирована таким образом, чтобы деформироваться предсказуемым образом под воздействием внешней силы. Величина и характер деформации регистрируются сенсорами, предоставляя информацию о силе и направлении контакта. В отличие от прямых датчиков силы, основанных на измерении деформации твердого тела, деформация перекладины позволяет получить данные о тактильном взаимодействии без необходимости сложной калибровки и компенсации температурных изменений. Данный подход обеспечивает надежное и точное измерение тактильной информации, необходимой для манипуляций роботами.

Конструкция «Fin-Ray» делает акцент на простоте и надежности, что является перспективным путем к повышению достоверности тактильных датчиков роботов. Традиционные методы измерения тактильного взаимодействия часто требуют сложных и хрупких сенсорных элементов, подверженных поломкам и деградации. В отличие от них, «Fin-Ray» использует деформацию гибкой структуры в качестве основного принципа работы, что снижает количество движущихся частей и, следовательно, повышает устойчивость к внешним воздействиям и износу. Эта упрощенная архитектура способствует более длительному сроку службы датчика и снижению затрат на обслуживание, делая ее привлекательной для применения в различных роботизированных системах, особенно в условиях, где надежность имеет первостепенное значение.

Иллюстрация демонстрирует деформацию нижней поперечины пальца Fin-Ray в зависимости от глубины вдавливания и точки контакта объекта, что подтверждается бинаризованными экспериментальными тактильными изображениями и отслеживанием маркеров относительно фиксированной точки.

Расшифровка деформации: Шарнирный механизм и метки

Механизм шарнира интегрирован в палец Fin-Ray для преобразования контактных сил в измеримую деформацию структуры. Этот подход позволяет воспринимать внешние воздействия и преобразовывать их в физическое изменение формы пальца. Конструкция шарнира обеспечивает гибкость и позволяет отдельным сегментам пальца изгибаться под воздействием силы, при этом деформация пропорциональна величине приложенного усилия. Именно эта взаимосвязь между силой и деформацией лежит в основе возможности измерения внешних воздействий с помощью системы.

Маркерные штифты, стратегически размещенные в пальце, служат для визуализации и усиления деформации конструкции при воздействии внешних сил. Расположение штифтов позволяет отслеживать пространственные изменения формы пальца, предоставляя данные о величине и направлении деформации. Визуальное представление деформации, усиленное штифтами, облегчает анализ и обработку данных, необходимых для определения характеристик контакта и оценки глубины и местоположения объекта взаимодействия. Данная система обеспечивает возможность точного измерения деформации за счет высокой контрастности маркеров и их оптимального размещения в ключевых точках пальца.

В системе измерения деформации, используемой в Fin-Ray пальце, длинные и базовые штифты выполняют различные, но взаимодополняющие функции. Длинные штифты, благодаря своей длине, обеспечивают усиление визуально воспринимаемой деформации при воздействии внешней силы, что облегчает её обнаружение и измерение. Базовые штифты, напротив, располагаются таким образом, чтобы обеспечить высокую пространственную разрешающую способность, позволяя точно определить местоположение и характер деформации. Комбинация этих двух типов штифтов необходима для достижения оптимальной чувствительности и точности измерения деформации, что критически важно для задач определения глубины и местоположения объекта.

Система обеспечивает точность определения глубины 0.16 мм и точность определения местоположения 2.33 мм благодаря оптимизированной конструкции и обработке деформаций с использованием сверточной нейронной сети (CNN). Оптимизация конструкции включает в себя стратегическое размещение маркеров и выбор материалов, обеспечивающих максимальную чувствительность к внешним воздействиям. Обработка деформаций, осуществляемая CNN, позволяет преобразовывать визуальные данные о деформации в точные измерения глубины и местоположения, эффективно фильтруя шум и компенсируя нелинейности системы. Достигнутые показатели точности подтверждены экспериментальными данными и статистическим анализом результатов измерений.

Добавление шарниров в палец Fin-Ray обеспечивает комбинированное перемещение и деформацию, обусловленные работой шарнирного механизма и упругостью самого пальца, что и приводит к его деформированному состоянию при приложении перпендикулярной силы.

Применение в роботизированных манипуляциях: От теории к практике

Исследования продемонстрировали возможности тактильного восприятия, реализованные в пальце Fin-Ray, путем его интеграции в роботизированные системы для выполнения задачи «захват и перемещение». Палец, оснащенный тактильными датчиками, позволяет роботу не только определять наличие контакта с объектом, но и получать информацию о форме и текстуре поверхности. Это существенно повышает надежность захвата, особенно при работе с объектами сложной формы или неровной поверхностью. В ходе экспериментов было показано, что использование пальца Fin-Ray в роботизированных манипуляторах позволяет значительно повысить точность и стабильность выполнения задачи «захват и перемещение», что открывает перспективы для применения в различных областях, включая автоматизированную сборку, логистику и обслуживание.

Для обеспечения точного манипулирования объектами, система активно использует маркеры ArUco, позволяющие осуществлять отслеживание и оценку их положения в пространстве. Эти визуальные метки служат ключевым дополнением к тактильным возможностям сенсорной «Fin-Ray» руки, предоставляя информацию о местонахождении объекта до момента физического контакта. Сочетание визуального отслеживания с тактильной обратной связью значительно повышает стабильность захвата и позволяет роботу адаптироваться к незначительным отклонениям в положении объекта или его форме. Такое комбинированное использование технологий обеспечивает более надежное и точное выполнение манипулятивных задач, особенно в условиях, когда визуальная информация ограничена или затруднена.

Система, оснащенная сенсорной Fin-Ray структурой, демонстрирует повышенную устойчивость и гибкость захвата благодаря способности определять местоположение и глубину контакта с объектом. Это позволяет роботу не просто схватить предмет, но и адаптироваться к его форме и поверхности, даже если она не идеально известна заранее. Определение точной точки контакта и степени давления позволяет распределять усилие захвата оптимальным образом, предотвращая соскальзывание или повреждение объекта. Такая способность особенно важна при работе с предметами сложной формы или при выполнении задач, требующих высокой точности манипуляций, например, при сборке мелких деталей или обращении с хрупкими материалами. Фактически, система получает тактильную «обратную связь», позволяющую ей корректировать усилие захвата в реальном времени и обеспечивать надежное удержание объекта даже в сложных условиях.

Интеграция сенсорной “плавниковой” (Fin-Ray) захвата привела к значительному снижению ошибок при выполнении задачи “захват и перемещение” по сравнению с условиями, где тактильные ощущения отсутствовали. Проведенные исследования демонстрируют, что использование данных от сенсоров позволяет роботу более точно определять местоположение и глубину контакта с объектом, что, в свою очередь, повышает устойчивость захвата и адаптивность к различным формам и текстурам предметов. Уменьшение количества ошибок при манипуляциях свидетельствует о том, что тактильная обратная связь играет критически важную роль в обеспечении надежной и эффективной работы роботизированных систем, особенно в условиях, требующих высокой точности и деликатности.

Тактильный захват Fin-Ray позволяет успешно выполнять задачу захвата и перемещения цилиндра, однако погрешности в определении его положения приводят к отклонению от заданной целевой точки, измеряемому как евклидово расстояние между начальной и конечной позициями.

Исследование демонстрирует подход к пониманию системы через её деформацию, а не через сложное моделирование. Это напоминает слова Андрея Николаевича Колмогорова: «Математика — это искусство находить закономерности в хаосе». Подобно тому, как математик ищет скрытые правила, так и представленная система ‘TacFinRay’ извлекает информацию о контакте и глубине захвата, анализируя визуальные изменения деформируемой структуры. Использование vision-based tactile sensing позволяет обойти необходимость в сложных сенсорных моделях, упрощая конструкцию и повышая надежность захвата, что соответствует философии проверки существующих правил и поиска новых решений.

Что дальше?

Представленная работа, безусловно, демонстрирует элегантность обхода сложных моделей деформации, заменяя их прямым визуальным анализом. Однако, утверждать, что проблема «решена» было бы наивно. Система, полагаясь на зрение, неминуемо сталкивается с ограничениями освещения, окклюзий и вычислительной стоимости. Истинное понимание тактильного взаимодействия требует не только определения где и насколько приложено давление, но и интерпретации текстуры, жесткости и даже температуры объекта. Это — лишь один фрагмент пазла.

Следующим шагом видится не просто улучшение алгоритмов обработки изображений, а поиск способов интеграции косвенного тактильного восприятия с другими сенсорными модальностями. Возможно, стоит пересмотреть саму концепцию «сенсора» — отказаться от попыток точного измерения физических параметров и сосредоточиться на распознавании паттернов деформации, аналогично тому, как мозг интерпретирует нечеткие сигналы от периферийной нервной системы.

В конечном итоге, успех в этой области будет зависеть не от создания «идеального» сенсора, а от разработки систем, способных к адаптации и самообучению. Ведь, в конечном счете, «баг» — это признание системы в собственных грехах, а каждое ограничение — это приглашение к взлому, к переосмыслению, к созданию чего-то принципиально нового.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.06524.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-09 14:35