Магнитометры позволили создать компактный датчик контакта для роботов
Американские инженеры разработали недорогой и компактный датчик прикосновений для роботизированных манипуляторов. Он состоит из эластомера с магнитными частицами и магнитометров, позволяющий реконструировать деформацию эластомера при контакте с предметами и тем самым определять его силу и место. Статья будет представлена на конференции Conference on Robot Learning 2021, а код библиотеки для использования датчиков опубликован на GitHub.
Захват предметов — одна из важнейших задач в области робототехники, которую решает огромное количество исследовательских групп и компаний. К примеру, Amazon несколько лет проводила соревнования среди команд инженеров, посвященные конкретно этой задаче. Наибольшее внимание в этом направлении сосредоточено на алгоритмах компьютерного зрения, позволяющих роботу распознавать тип предмета, реконструировать его форму и даже предсказывать жесткость, чтобы хорошо схватить его.
Сами захваты тоже постепенно улучшают, но этому аспекту уделяется меньше внимания, хотя в нем тоже есть важные нерешенные задачи, в том числе надежный захват хрупких предметов. Инженеры предлагают разные конструкции для аккуратных и точных захватов, зачастую они сами выполнены из мягких материала, аналога человеческой кожи, по деформации которого робот понимает силу сжатия и даже форму предмета. К примеру, в прошлом году Toyota показала прототип захвата с надувными камерами и точками на их внутренней поверхности, позволяющими реконструировать изгиб поверхности. Но он, как и многие аналоги, был довольно массивным.
Инженеры из Университета Карнеги — Меллона и лаборатории Meta AI (ранее известная как Facebook AI) под руководством Абхинава Гупта (Abhinav Gupta) создали новый компактный датчик с насадкой из мягкого материала, позволяющей отслеживать параметры прикосновения с высокой точностью. Датчик состоит из двух частей. Сверху, то есть со стороны прикосновения, располагается эластомер толщиной 2-3 миллиметра и шириной с однорублевую монету — 20 на 20 миллиметров. В эластомере есть ферромагнитные частицы. на этапе создания жидкий прекурсор заливают в форму и устанавливают над и под ним по 16 магнитов. Благодаря этому после затвердевания у эластомера появляется заданная намагниченность.
Под эластомером расположена микросхема с пятью магнитометрами. Принцип действия датчика заключается в том, что при контакте с каким-либо предметом эластромер деформируется и магнитометры регистрируют изменение магнитного потока. Разработчики научили датчик конвертировать изменение магнитного потока в координаты, направление и величину приложенной силы, обучив многослойный перцептрон.
Тесты на точность показали, что среднеквадратичная ошибка для местоположения контакта составила 0,514±0,601 квадратного миллиметра и для силы 0,142±0,025 квадратного ньютона. Инженеры продемонстрировали реальное применение разработки, установив два датчика на роботизированный захват и подняв с его помощью голубику и виноград, не расплющив их.
В 2018 году японские инженеры научили робота не только аккуратно хватать предметы, но и делать это очень быстро. Для примера они показали, как робот сумел поймать падающий кусочек маршмеллоу.
Григорий Копиев
Это может пригодиться для очистки водоемов от загрязнений
Инженеры разработали робомедузу, с актуаторами на жидком диэлектрике, которые работают за счет электростатических сил. Робот имеет беспроводную версию, развивает под водой скорость до 6,1 сантиметра в секунду и способен перемещать легкие предметы. Разработчики предполагают, что в будущем такие роботы смогут помочь в очистке водоемов от загрязнений. Статья опубликована в журнале Science Advances. Инженеры давно работают над созданием роботов из мягких материалов для работы под водой. Благодаря своей мягкости они неспособны нанести вред подводным обитателям и поэтому могли бы использоваться, например, для безопасного наблюдения за животными и отбора проб вблизи коралловых рифов. Многие существующие прототипы имитируют внешний вид медуз и их характерные движения, однако до сих пор неоднозначным остается выбор подходящего актуатора. Имеющиеся на сегодняшний день варианты недостаточно универсальны. Некоторые из них издают шум и вибрации, чем могут потревожить окружающих подводных животных, другие недостаточно эффективны под водой или ограничивают робота в передвижении, снижая его автономность. Для решения этой проблемы инженеры под руководством Тяня Лу Вана (Tianlu Wang) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка разработали свой вариант робомедузы на основе электростатических самовосстанавливающихся актуаторов с гидравлическим усилением HASEL (аббревиатура от Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators). Робот имеет шесть щупалец, а его диаметр составляет 160 миллиметров. Основная часть робота состоит из запаянной полимерной оболочки с полостями, заполненными жидким диэлектриком, роль которого выполняет силиконовое масло. Поверх этого слоя наносится слой углеродных чернил, выступающих в качестве высоковольтного гибкого электрода. Он защищен от соприкосновения с водой водоустойчивым слоем из скотча, который благодаря своей эластичности выполняет функцию пружины, помогающей щупальцу вернуться в исходное состояние после срабатывания. И наконец, поверх этих слоев расположены усиливающие акриловые пластины миллиметровой толщины. Чтобы центр плавучести находился выше центра масс, обеспечивая тем самым пассивную устойчивость робота, к его нижней части прикреплен дополнительный груз массой 27 грамм. В беспроводной версии робомедузы в нижней части также находится блок с электроникой и аккумулятором. К верхней части присоединен блок для регулировки плотности и достижения нейтральной плавучести. https://www.youtube.com/watch?v=dy6CJgMLiAA Напряжение величиной до 6,5 киловольт подается импульсами через медный провод к углеродному электроду в щупальцах. При этом между электродом и окружающей водой возникает разница потенциалов, которая приводит к сжатию полимерной оболочки и к перераспределению жидкости в замкнутых полостях актуатора. Это вызывает изгибы щупальца в местах расположения полостей с жидкостью, напротив которых также располагаются промежутки между акриловыми пластинами верхнего слоя. При одновременном изгибе нескольких щупалец робомедуза выталкивает воду из купола и двигается в противоположном направлении аналогично тому, как это происходит у настоящего животного. Максимальная скорость, которую развивает робот при движении вертикально вверх, равна 6,1 сантиметра в секунду, при этом потребление энергии составляет около 100 милливатт. Для управления направлением движения активируют раздельно несколько щупалец, расположенных только с одной стороны. Можно использовать два щупальца из шести, расположенные диаметрально противоположно, чтобы захватывать и удерживать предметы наподобие манипулятора. При этом оставшиеся четыре щупальца используются для плавания. Робомедуза может захватывать предметы и бесконтактно, только за счет гидродинамических сил, возникающих во время сокращений щупалец робота в пространстве между ними. Схожий эффект демонстрировали ранее на примере робомедузы другой команды инженеров. Кроме того, робомедузы могут действовать коллективно, чтобы перетаскивать объекты. Захватывая частицы и мелкие предметы в составе роя, они способны очищать водоемы от скопившегося на дне мусора. Для этой цели разработчики создали полностью автономную беспроводную версию робота. В будущем они планируют улучшить взаимодействие отдельных робомедуз в составе роя. Ранее мы рассказывали о другом подводном роботе, который имитирует плавательные движения подводных позвоночных. Робот длиной более метра и весом более четырех килограмм состоит из отдельных сегментов с датчиками давления и сервомоторами и способен передвигаться под водой, извиваясь как змея.