Осязание будущего: Оптическая кожа с «зрячими» сенсорами

Автор: Денис Аветисян

Новая разработка объединяет принципы работы «событийных» камер и стереовидения для создания тактильного сенсора, способного к точной локализации касаний с минимальным потреблением данных.

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"

Оптическая система тактильного восприятия регистрирует динамические касания, создаваемые роботом <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \Omega 3 </span> с помощью контролируемого усилия, приложенного к силиконовой поверхности, при этом деформации фиксируются расположенными по соседству DVS-камерами и обеспечиваются стабильным освещением инфракрасными светодиодами. — Оптическая система тактильного восприятия регистрирует динамические касания, создаваемые роботом $\Omega 3$ с помощью контролируемого усилия, приложенного к силиконовой поверхности, при этом деформации фиксируются расположенными по соседству DVS-камерами и обеспечиваются стабильным освещением инфракрасными светодиодами.

Представлена оптическая тактильная система, использующая события камеры и стереовидение для высокоточной локализации контакта и перспективного применения в гибкой робототехнике.

Несмотря на прогресс в области тактильных сенсоров, создание систем, способных к высокоточной локализации контакта на больших площадях с минимальным энергопотреблением, остается сложной задачей. В данной работе, посвященной ‘An Event-Based Opto-Tactile Skin’, представлена новая опто-тактильная система, использующая стереоскопическое зрение и event-камеры для точного определения координат прикосновений. Показано, что разработанный подход обеспечивает точность локализации до 4.66 мм при сохранении работоспособности даже при значительном снижении объема передаваемых данных. Может ли данная технология стать основой для создания гибких, адаптивных и энергоэффективных тактильных интерфейсов в робототехнике и интерактивных системах?

За пределами традиционного тактильного восприятия

Современные тактильные сенсоры часто сталкиваются с проблемой избыточности данных и сложности обработки, что существенно ограничивает их применение в реальных условиях. Традиционные системы стремятся непрерывно собирать и анализировать информацию о прикосновении, генерируя огромные потоки данных, даже когда ничего не меняется. Это требует значительных вычислительных ресурсов и энергии, что делает их непрактичными для использования в мобильных роботах, протезах или носимой электронике. Подобный подход сильно отличается от принципов работы биологических тактильных систем, которые реагируют преимущественно на изменения, а не на постоянные сигналы, что позволяет значительно снизить потребность в вычислительной мощности и повысить эффективность обработки информации.

Для создания действительно биомиметических систем осязания необходимо сместить акцент с непрерывной передачи данных на обработку событий, возникающих при взаимодействии с объектами. В природе сенсорные рецепторы кожи не передают постоянный поток информации, а активируются лишь при изменении стимула — прикосновении, давлении, скольжении. Такой подход позволяет значительно снизить объем передаваемых данных и вычислительную нагрузку, поскольку система фокусируется исключительно на значимых событиях. Эффективная обработка этих событий, имитирующая нейронные механизмы мозга, позволяет быстро и точно распознавать текстуру, форму и другие характеристики объекта, что является ключевым для создания протезов и роботов, способных к деликатному и адаптивному взаимодействию с окружающим миром.

Конструкция датчика состоит из напечатанного на 3D-принтере основания из ABS, креплений для инфракрасных излучателей VSMY1860 и линз, а также тактильного слоя из PDMS, используемых в процессе литья.

Оптическая кожа: новый подход к тактильному восприятию

Оптическая кожа использует динамическую визионерскую камеру (DVS) и податливый слой силикона для регистрации тактильных событий с высоким временным разрешением. DVS камера, в отличие от традиционных камер, регистрирует изменения в яркости пикселей, что позволяет фиксировать даже самые быстрые тактильные воздействия. Сочетание с силиконовым слоем обеспечивает соответствие поверхности объекта и усиливает регистрируемые изменения, создавая точную картину контакта. Данная комбинация позволяет системе улавливать динамику тактильного взаимодействия, что критически важно для задач, требующих быстрого реагирования и высокой точности.

Система определения тактильных событий, известная как Optical Skin, использует комбинацию стереоскопического зрения и триангуляции для точного определения местоположения и глубины контакта. Применение данной методики позволяет достичь точности локализации давления в 4.66 мм RMSE (среднеквадратичная ошибка). Стереоскопическая система захватывает изображения с двух камер, а триангуляция использует геометрические принципы для вычисления трехмерных координат точки контакта на основе диспарации между изображениями, что обеспечивает высокую точность определения положения и силы давления.

Конструкция оптической кожи обеспечивает возможность значительного снижения объема передаваемых данных без существенной потери информации. Система сохраняет 85% точности распознавания событий при сжатии данных в 1024 раза, что существенно уменьшает требования к пропускной способности канала связи. Это особенно важно для приложений реального времени, где необходимо обеспечить оперативную обработку тактильных данных и управление робототехническими системами с минимальной задержкой. Уменьшение объема данных также способствует снижению энергопотребления и упрощает интеграцию системы в различные платформы.

Определение положения контакта осуществляется посредством триангуляции, в ходе которой углы <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> heta_1</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> heta_2</span> вычисляются между центрами камер и активными пикселями, а линии, проведенные на основе расстояний <span class="katex-eq" data-katex-display="false">d_1</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">d_2</span> от камер к центру сенсорной области, пересекаются для определения координат нажатия на оптическую кожу. — Определение положения контакта осуществляется посредством триангуляции, в ходе которой углы $heta_1$ и $heta_2$ вычисляются между центрами камер и активными пикселями, а линии, проведенные на основе расстояний $d_1$ и $d_2$ от камер к центру сенсорной области, пересекаются для определения координат нажатия на оптическую кожу.

Возможности тактильного интеллекта: раскрывая потенциал

Оптическая кожа надёжно обеспечивает выполнение ключевых тактильных функций, включая локализацию контакта, оценку приложенной силы и обнаружение проскальзывания. Локализация контакта осуществляется посредством определения координат точки соприкосновения, позволяя системе точно определять местоположение объекта. Оценка силы позволяет измерить величину давления, оказываемого на поверхность кожи, что важно для манипулирования объектами и оценки их свойств. Обнаружение проскальзывания необходимо для обеспечения надёжного захвата и предотвращения потери контроля над объектом, что особенно важно в робототехнике и протезировании. Комбинация этих функций позволяет системе воспринимать и реагировать на тактильные взаимодействия с высокой точностью и надёжностью.

Событийный характер системы обеспечивает передачу данных с низкой пропускной способностью, что критически важно для приложений с ограниченными ресурсами. В отличие от традиционных систем, передающих данные непрерывно, эта система передает информацию только при обнаружении изменений, значительно снижая требования к полосе пропускания. Распределение задержки обнаружения составляет 31 миллисекунду, что позволяет оперативно реагировать на тактильные события при сохранении эффективности передачи данных даже в условиях ограниченной пропускной способности канала связи.

Разработанная система тактильного восприятия является развитием предыдущих исследований в области мультисенсорных систем обработки изображений (MSOWS). В отличие от предшествующих разработок, новая система демонстрирует значительное улучшение ключевых показателей тактильного восприятия, включая повышенную точность локализации контакта, более эффективную оценку приложенной силы и улучшенное обнаружение проскальзывания. Эти улучшения достигнуты за счет оптимизации алгоритмов обработки данных и применения усовершенствованных сенсорных материалов, что позволяет получать более детализированную и своевременную информацию о взаимодействии с окружающей средой.

Анализ частоты событий при нажатии на кожу, выполненный с шагом 10\unit\milli, показывает синхронизацию и сравнительную чувствительность двух камер (красная и синяя) при отслеживании последовательности нажатий, что демонстрируется на графиках частоты событий (A) и на примере одиночного нажатия (B), где отдельные нажатия выделены цветом как на графике, так и на схеме расположения камер и траектории нажатий.

К разумному и эффективному осязанию: взгляд в будущее

Интеграция спайковых нейронных сетей с оптической кожей открывает принципиально новый подход к обработке тактильной информации, имитируя эффективность биологических систем. В отличие от традиционных вычислительных моделей, эта комбинация позволяет системе реагировать исключительно на изменения в сенсорном входе — на “события”, а не на непрерывный поток данных. Такой “event-driven” подход значительно снижает энергопотребление и задержки обработки, поскольку ресурсы задействуются только при необходимости. Подобно тому, как нервные импульсы в коже передают информацию о давлении или текстуре, спайковые нейронные сети обрабатывают информацию дискретными “спайками”, что позволяет эффективно кодировать и передавать тактильные данные. Это обеспечивает возможность создания роботов и протезов, способных быстро и экономично воспринимать окружающую среду, реагируя на изменения в тактильных ощущениях с высокой точностью и минимальными затратами энергии.

Комбинация оптической кожи и нейронных сетей с импульсной активностью открывает перспективы для создания надежных и энергоэффективных систем тактильного восприятия. Такое сочетание позволяет значительно снизить потребление энергии, поскольку обработка информации происходит только при регистрации события — прикосновения или деформации. Это особенно важно для робототехники и протезирования, где длительное время работы от батареи и высокая чувствительность являются ключевыми требованиями. Благодаря способности имитировать биологические принципы обработки сенсорной информации, система способна обеспечивать более естественное и точное взаимодействие с окружающей средой, позволяя роботам и протезам выполнять сложные манипуляции с большей ловкостью и надежностью, чем традиционные системы.

Дальнейшие исследования направлены на усовершенствование характеристик системы, включая повышение точности распознавания тактильных ощущений и скорости обработки информации. Особое внимание уделяется применению разработанной технологии в задачах, требующих сложных манипуляций, таких как сборка мелких деталей или захват объектов различной формы и текстуры. Ученые планируют интегрировать систему в прототипы роботизированных рук и протезов, чтобы оценить её эффективность в реальных условиях и расширить возможности взаимодействия человека с окружающим миром. Ожидается, что оптимизация алгоритмов и аппаратной части позволит создать более надежные и энергоэффективные тактильные сенсоры для широкого спектра применений, от робототехники до медицины.

В представленной работе исследователи стремятся к созданию систем, способных к адаптации и быстродействию, что находит отклик в словах Ады Лавлейс: «Именно в создании абстрактных систем заключается истинная сила науки». Отказ от традиционных методов сбора данных в пользу событийных камер и стереовидения — это стремление к элегантности и эффективности. Оптимизация пропускной способности данных, достигнутая за счёт фокусировки на событиях, а не на непрерывном потоке информации, демонстрирует зрелость подхода. Вместо того чтобы усложнять систему, она позволяет ей сосредоточиться на существенном, как если бы она «отбрасывала всё лишнее», чтобы добиться совершенства в локализации контакта и управлении мягкими роботами.

Куда Ведет Этот Путь?

Представленная работа, хотя и демонстрирует элегантность подхода к тактильному зондированию, лишь обнажает сложность задачи. Использование событийных камер, безусловно, снижает объем передаваемых данных, но переносит бремя вычислительной нагрузки на алгоритмы обработки. Вопрос о масштабируемости этой системы, особенно при увеличении площади сенсорной поверхности и плотности событий, остается открытым. Необходимо учитывать, что триангуляция, лежащая в основе локализации, подвержена ошибкам, особенно при работе с неровными или деформируемыми поверхностями.

Будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на интеграции данных от нескольких сенсорных элементов, возможно, с использованием методов машинного обучения для повышения точности и надежности локализации. Интересным направлением представляется разработка алгоритмов, способных учитывать динамические характеристики контакта, такие как сила и направление прикладываемого усилия. Отказ от строгой зависимости от геометрии, в пользу методов, учитывающих текстуру и другие свойства поверхности, может значительно расширить возможности системы.

В конечном счете, ценность подобного подхода определяется не столько технологической новизной, сколько способностью упростить взаимодействие робота с окружающим миром. Истинное совершенство заключается не в достижении абсолютной точности, а в создании системы, достаточно надежной и адаптивной, чтобы функционировать в условиях неопределенности и хаоса.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.03907.pdf

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

Смотрите также:

2026-01-08 08:15