Использование инструментов уже давно является отличительной чертой человеческого интеллекта, а также практической проблемой, которую необходимо решить для широкого спектра роботизированных приложений. Но машины по-прежнему не умеют прилагать достаточную силу для управления инструментами, которые не прикреплены жестко к их рукам.

Чтобы более надежно манипулировать указанными инструментами, исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) в сотрудничестве с Исследовательским институтом Toyota (TRI) разработали систему, которая может захватывать инструменты и применять необходимое количество силы для данной задачи. например, выдавливать жидкость или писать слово ручкой.

В системе, получившей название Series Elastic End Effectors, или SEED, используются захваты с мягкими пузырями и встроенные камеры, чтобы отобразить, как захваты деформируются в шестимерном пространстве (представьте, что надувается и сдувается подушка безопасности) и прикладывают силу к инструменту. Используя шесть степеней свободы, объект можно перемещать влево и вправо, вверх или вниз, вперед и назад, вращать, наклонять и рыскать. Контроллер с обратной связью — саморегулирующаяся система, которая поддерживает желаемое состояние без участия человека — использует SEED и зрительно-тактильную обратную связь для регулировки положения манипулятора робота, чтобы применить желаемую силу.

Это может быть полезно, например, для тех, кто использует инструменты, когда есть неопределенность в высоте стола, поскольку предварительно запрограммированная траектория может полностью не попасть в стол. «Мы в значительной степени полагались на работу Мэйсона, Райберта и Крейга над тем, что мы называем гибридным контроллером положения сил», — говорит Хюнг Джу Со, доктор философии. студент факультета электротехники и информатики Массачусетского технологического института, филиал CSAIL и ведущий автор новой статьи о SEED. «Идея заключается в том, что если бы у вас было три измерения, в которых вы могли бы перемещаться, когда пишете на доске, вы бы хотели иметь возможность контролировать положение по одной из осей, одновременно контролируя силу по другой оси».

Роботы с твердым телом и их аналоги могут только увести нас так далеко; мягкость и податливость дают роскошь и способность деформироваться, ощущать взаимодействие между инструментом и рукой.

С SEED каждое выполнение робота воспринимается как недавнее 3D-изображение с захватов, тем самым отслеживая в режиме реального времени, как захваты меняют форму вокруг объекта. Эти изображения используются для восстановления положения инструмента, а робот использует обученную модель для сопоставления положения инструмента с измеренной силой. Изученная модель получена с использованием предыдущего опыта робота, когда он воздействует на датчик момента силы, чтобы выяснить, насколько жесткие захваты пузырьков. Теперь, как только робот ощутил силу, он сравнит ее с силой, которую командует пользователь, и, возможно, скажет себе: «Оказывается, сила, которую я сейчас ощущаю, не совсем там. Мне нужно нажать Сильнее.» Затем он будет двигаться в направлении увеличения силы, и все это будет происходить в шестимерном пространстве.

Во время «задачи со шваброй» SEED было обеспечено необходимое усилие, чтобы вытереть немного жидкости на плоскости, где базовые методы изо всех сил пытались получить правильный размах. Когда его попросили приложить бумагу к ручке, бот фактически написал «MIT», а также смог приложить необходимое усилие, чтобы закрутить винт.

В то время как SEED знал о том факте, что ему необходимо управлять силой или крутящим моментом для данной задачи, если схватить его слишком сильно, предмет неизбежно соскользнет, ​​поэтому существует верхний предел этой прилагаемой твердости. Кроме того, если вы жесткий робот, вы можете моделировать более мягкие системы, чем ваша естественная механическая жесткость, но не наоборот.

В настоящее время система предполагает очень специфическую геометрию инструментов: она должна быть цилиндрической, и все еще существует много ограничений на то, как она может обобщаться, когда встречается с новыми типами форм. Предстоящая работа может включать в себя обобщение фреймворка для различных форм, чтобы он мог работать с произвольными инструментами в дикой природе.

«Никого не удивит, что податливость может помочь с инструментами или что датчик силы — хорошая идея; вопрос здесь в том, где на роботе должна быть податливость и насколько мягкой она должна быть», — говорит соавтор статьи Расс Тедрейк, Профессор Toyota в области электротехники и компьютерных наук, аэронавтики и астронавтики и машиностроения в Массачусетском технологическом институте и главный исследователь в CSAIL. «Здесь мы изучаем регулирование достаточно мягкой жесткости с шестью степенями свободы непосредственно на интерфейсе руки/инструмента и показываем, что это дает некоторые приятные преимущества».