Тактильное зрение робота: новый подход к осязанию

от

Автор: Денис Аветисян

Разработан инновационный сенсор, позволяющий роботам точно определять контакт с объектами, не полагаясь на деформацию поверхности.

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"
Система LightTact обеспечивает прямое, пиксельное обнаружение контакта с жидкостями, ультрамягкими материалами и твёрдыми объектами без необходимости приложения минимальной силы, при этом её оптическая конструкция формирует изображения с высоким контрастом, где незадействованные пиксели остаются практически чёрными, а контактирующие сохраняют естественный вид поверхности, что позволяет интегрировать компактное устройство размером с кончик пальца в сложные манипуляторы, такие как Amazing Hand.
Система LightTact обеспечивает прямое, пиксельное обнаружение контакта с жидкостями, ультрамягкими материалами и твёрдыми объектами без необходимости приложения минимальной силы, при этом её оптическая конструкция формирует изображения с высоким контрастом, где незадействованные пиксели остаются практически чёрными, а контактирующие сохраняют естественный вид поверхности, что позволяет интегрировать компактное устройство размером с кончик пальца в сложные манипуляторы, такие как Amazing Hand.

LightTact — визуально-тактильный сенсор, обеспечивающий независимое от деформации обнаружение контакта за счет использования оптической схемы, блокирующей окружающий свет.

Взаимодействие с объектами часто происходит без заметной деформации поверхности, что представляет сложность для существующих тактильных датчиков. В данной работе представлена система LightTact: A Visual-Tactile Fingertip Sensor for Deformation-Independent Contact Sensing, новый визуально-тактильный датчик, который обеспечивает надежное обнаружение контакта, не полагаясь на деформацию поверхности, благодаря оригинальной оптической конфигурации, блокирующей окружающее освещение. Это позволяет получать контрастные изображения, где контактные пиксели сохраняют естественный вид поверхности, обеспечивая точную сегментацию и открывая возможности для деликатных манипуляций, например, с жидкостями или тонкоплёночными материалами. Каковы перспективы интеграции подобных датчиков в робототехнические системы для решения задач, требующих высокой чувствительности и точности взаимодействия?

За пределами деформации: Ограничения традиционного тактильного восприятия

Традиционные тактильные датчики, такие как датчики силы и момента, часто оказываются неэффективными при взаимодействии с объектами при незначительных нагрузках. Эти устройства, предназначенные для измерения значительных сил, не способны уловить слабые тактильные сигналы, возникающие при касании деликатных или тонких материалов. В результате, даже самые незначительные взаимодействия, например, распознавание текстуры или удержание хрупкого предмета, остаются вне досягаемости для роботов, оснащенных подобными сенсорами. Это ограничение существенно снижает возможности роботов в задачах, требующих высокой точности и деликатности, таких как сборка микроэлектроники или медицинские манипуляции.

Существующие визуальные тактильные сенсоры, такие как GelSight и 9DTact, полагаются на измерение деформации поверхности для определения контакта, что существенно ограничивает их чувствительность и универсальность. Данный подход, хотя и эффективен в задачах, требующих значительного давления, оказывается неадекватным при взаимодействии с хрупкими или тонкими объектами, где даже незначительное давление может привести к повреждению или неточной регистрации контакта. Ограничение, связанное с необходимостью измеримой деформации, снижает способность сенсоров обнаруживать легкие касания или определять текстуру поверхности без приложения значительной силы. Это создает препятствие для развития робототехники, требующей деликатной манипуляции и точного восприятия в широком спектре сценариев, от сборки микроэлектроники до хирургических операций.

Ограниченность традиционных тактильных датчиков, полагающихся на измеримую деформацию поверхности, существенно затрудняет надежное взаимодействие роботов с хрупкими или тонкими материалами. В случаях, когда контакт минимален или материал легко деформируется даже под небольшим давлением, существующие системы часто не способны точно определить наличие и характер взаимодействия. Это создает значительный пробел в возможностях робототехники, препятствуя автоматизации деликатных задач, таких как сборка микроэлектронных компонентов, манипуляции с биологическими тканями или обращение с предметами искусства. Отсутствие чувствительности к не-деформируемым контактам требует разработки принципиально новых подходов к тактильному восприятию, способных обеспечить надежную и точную обратную связь даже при минимальном физическом воздействии.

В отличие от тактильных датчиков, основанных на деформации, LightTact определяет контакт на больших площадях, не требуя измеримого вдавливания, что обеспечивает его эффективность даже при минимальной деформации поверхности.
В отличие от тактильных датчиков, основанных на деформации, LightTact определяет контакт на больших площадях, не требуя измеримого вдавливания, что обеспечивает его эффективность даже при минимальной деформации поверхности.

LightTact: Новый подход к тактильному восприятию, не зависящему от деформации

LightTact представляет собой компактный визуально-тактильный сенсор, осуществляющий обнаружение контакта посредством оптических методов, что принципиально отличает его от традиционных сенсоров, зависящих от деформации поверхности. В отличие от резистивных или емкостных датчиков, LightTact не измеряет механическое воздействие, а фиксирует оптическое изменение, возникающее при контакте. Это позволяет обеспечить обнаружение контакта с любой поверхностью, независимо от её жесткости или эластичности, и исключает влияние деформации материала на точность измерения. Конструкция сенсора оптимизирована для минимизации размеров и веса, что делает его пригодным для интеграции в роботизированные системы и носимые устройства.

Основой конструкции LightTact является уникальная оптическая схема, включающая в себя систему блокировки окружающего света. Эта система предназначена для подавления светового излучения из областей, где отсутствует контакт с поверхностью. Блокировка осуществляется за счет использования специальных элементов, формирующих тень на неконтактных участках, что позволяет значительно повысить контрастность между точками контакта и неконтактными областями на регистрируемом изображении. Эффективное подавление внешнего света критически важно для обеспечения надежного обнаружения контакта даже в условиях высокой освещенности и сложной геометрии поверхности.

В основе работы LightTact лежит захват необработанного изображения, характеризующегося высокой контрастностью между областями контакта и областями, где контакта нет. Такой подход позволяет сенсору четко идентифицировать границы соприкосновения, поскольку изменение интенсивности света между этими областями служит явным сигналом для определения факта контакта. Высокий контраст достигается за счет специальной оптической схемы и алгоритмов обработки, что обеспечивает надежное и точное определение контакта, не зависящее от степени деформации поверхности.

LightTact достоверно обнаруживает как лёгкие, так и сильные касания твёрдыми объектами, не искажая их визуальное представление.
LightTact достоверно обнаруживает как лёгкие, так и сильные касания твёрдыми объектами, не искажая их визуальное представление.

Надежное определение областей контакта с помощью LightTact

Система LightTact обеспечивает точную сегментацию контакта, позволяя достоверно определять и выделять области контакта на различных поверхностях. Этот процесс включает в себя анализ полученных изображений для идентификации границ соприкосновения, что позволяет системе различать отдельные точки или области контакта даже на сложных или неровных поверхностях. Алгоритмы сегментации позволяют эффективно обрабатывать данные, предоставляя информацию о форме, размере и местоположении каждой контактной области, что критически важно для точного определения взаимодействия и отслеживания перемещений объектов.

Сегментация контактов в LightTact достигается за счет применения сложных методов обработки изображений к полученным исходным данным. В частности, используются алгоритмы фильтрации для подавления шумов и повышения контрастности, а также методы обнаружения границ, такие как оператор Кэнни, для точного определения периметра контактных областей. Для повышения точности и надежности сегментации применяется морфологическая обработка изображений, включая операции эрозии и дилатации, для устранения мелких артефактов и заполнения пробелов. Анализ гистограмм интенсивностей позволяет автоматически определять пороги сегментации, адаптирующиеся к различным условиям освещения и типам материалов. Реализованы алгоритмы кластеризации для разделения смежных областей контакта, что обеспечивает точное определение отдельных точек или зон взаимодействия.

Система LightTact обеспечивает стабильную низкую интенсивность пикселей (менее 3 единиц) в областях, не контактирующих с поверхностью, даже при высокой освещенности окружающей среды, достигающей 2010 Люкс. Это позволяет достоверно регистрировать контакт с ультратонкими и мягкими материалами, что подтверждено возможностью взаимодействия с тонкопленочными структурами. Данная чувствительность достигается за счет оптимизации алгоритмов обработки изображения и позволяет осуществлять точное и надежное отслеживание даже минимальных изменений в контактном давлении, обеспечивая отзывчивое взаимодействие с деликатными объектами.

LightTact обеспечивает надежную сегментацию контактов даже с объектами, оказывающими минимальное давление, такими как жидкости, полужидкие вещества и ультрамягкие материалы.
LightTact обеспечивает надежную сегментацию контактов даже с объектами, оказывающими минимальное давление, такими как жидкости, полужидкие вещества и ультрамягкие материалы.

Расширение возможностей роботов: Работа с жидкостями и не только

Разработанная система LightTact позволяет роботам надежно взаимодействовать с жидкостями, например, равномерно распределять воду, благодаря своей способности к регистрации даже самых легких касаний. В отличие от традиционных тактильных датчиков, LightTact использует визуальную информацию для определения контакта, что обеспечивает высокую чувствительность и точность при манипулировании жидкостями. Данный подход был успешно продемонстрирован в процессе управления жидкостями, где робот способен выполнять сложные операции, такие как нанесение тонких слоев или смешивание компонентов, без риска пролития или повреждения. Способность регистрировать минимальное давление контакта открывает новые возможности для роботизированных систем в сферах, где требуется аккуратное и контролируемое взаимодействие с жидкостями, от фармацевтики и пищевой промышленности до научных исследований и микроэлектроники.

Для обеспечения стабильного контакта при манипуляциях с объектами, система LightTact использует ПИД-регулятор (ПИД-контроллер). Этот регулятор непрерывно корректирует силу и положение манипулятора, поддерживая оптимальное покрытие контактной поверхности. Благодаря этому, даже при незначительных изменениях в форме или текстуре объекта, ПИД-контроллер обеспечивает надежное удержание и предотвращает потерю контакта. Такая точная регулировка критически важна для выполнения сложных задач, требующих деликатного обращения, например, при работе с хрупкими компонентами или жидкостями, и значительно повышает общую надежность и точность роботизированных операций.

Роботы, оснащенные системой LightTact и использующие метод VLM-подсказок, достигли 80%-ной эффективности при сортировке резисторов, что знаменует собой прорыв в области роботизированной ловкости. Традиционные тактильные датчики часто оказываются недостаточно чувствительными или надежными для выполнения подобных деликатных задач, требующих точного распознавания формы и текстуры объектов. LightTact, используя визуальную информацию о контакте, позволяет роботам надежно захватывать и манипулировать мелкими деталями, преодолевая ограничения существующих технологий. Эта способность открывает широкие перспективы для автоматизации в различных областях, включая электронику, медицину и производство, где требуется точная и надежная работа с хрупкими или сложными объектами.

LightTact позволяет роботу обнаруживать контакт с водой, сегментировать область контакта и равномерно распределять воду по поверхности, избегая столкновений.
LightTact позволяет роботу обнаруживать контакт с водой, сегментировать область контакта и равномерно распределять воду по поверхности, избегая столкновений.

В представленной работе акцент сделан на достижение надежного тактильного восприятия без опоры на деформацию поверхности. Это соответствует принципу упрощения, где избыточность устраняется ради ясности. Тим Бернерс-Ли однажды заметил: «Веб должен быть доступен всем, независимо от аппаратного или программного обеспечения». Аналогично, LightTact стремится к универсальности в робототехнике, предлагая сенсор, не ограниченный свойствами осязаемых объектов. Отказ от зависимости от деформации открывает путь к манипулированию хрупкими предметами, где точность и деликатность имеют первостепенное значение, что демонстрирует стремление к совершенству через минимизацию сложности.

Что дальше?

Представленный подход, хотя и демонстрирует обнадеживающие результаты в независимом от деформации определении контакта, не решает фундаментальную проблему: сенсор все еще полагается на визуальную информацию. Иллюзия надежности, создаваемая объединением визуального и тактильного, требует дальнейшей проверки. Долгосрочная стабильность и адаптивность к изменяющимся условиям освещения, несомненно, потребуют более сложных алгоритмов и, возможно, отказа от полагания на окружающий свет как на пассивный фактор.

Следующим логичным шагом представляется разработка систем, способных к самообучению и адаптации к неидеальным поверхностям. Простое устранение деформации — лишь одна из многих проблем, возникающих при взаимодействии робота с реальным миром. Необходимо учитывать сложность текстур, наличие загрязнений и, что самое главное, непредсказуемость материалов. Оптимизация для конкретных задач манипулирования — это, конечно, полезно, но истинный прогресс заключается в создании универсальных сенсорных систем.

В конечном счете, задача заключается не в создании более сложных сенсоров, а в разработке более простых алгоритмов, способных извлекать значимую информацию из ограниченных данных. Иногда, кажущаяся сложность — это лишь признак нерешенных проблем в базовой структуре. Ясность, а не изобилие, — вот истинный путь к надежному робототехническому восприятию.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.20591.pdf

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

Смотрите также:

2025-12-24 19:49