Назад в библиотеку

Усовершенствование манипуляционных действий по аналогии с системой тактильных ощущений человека


(Better Manipulation with Human Inspired Tactile Sensing)


Авторы:Ravinder S. Dahiya, Monica Gori, Giorgio Metta, Giulio Sandini


Введение


Исследования свойств человеческой руки, которые могут быть использованы для создания руки робота, активно проводятся уже в течение многих лет. Многое было достигнуто в разработке и создании ловкой роботизированной руки [1,2]. Однако, использование информации тактильных датчиков для обеспечения ловких движений руки по-прежнему уступает механическим возможностям роботизированной руки. В работе рассмотрены как тактильные восприятия, присущие человеку, могут помочь улучшить манипуляционные свойства руки робота. Некоторые особенности кожных ощущений, присущих человеку, а именно, роль биомеханики и микроструктуры кожи, пространственные и временные реакции на раздражение, кодирование информации и ее передача представлены в этой работе, так как это может помочь расширить использование тактильного восприятия в роботизированной руке. В конце обсуждения представлена группа тактильных датчиков на основе POSFET - полевых транзисторов со структурой «пьезоэлектрик-оксид-полупроводник», созданная по аналогии с кожными /тактильными ощущениями человека , которая устанавливается на кончиках пальцев гуманоидного робота «iCub» [3].


Тактильные ощущения для выполнения действий человеком и роботом


Очень сложно удерживать или совершать различные действия с реальными предметами без физического контакта в ними. Чувство осязания и прикосновения лежит в основе любых задач по воздействию с предметами. Управление роботом главным образом зависело от кинестетической информации, поступающей от трехкоординатных или 6D датчиков силы, установленных почти на запястье , и от приведение в движение пальцев робота при помощи двигателей, расположенных в предплечье робота, которое у человека сгибаются и разгибаются за счет сухожилий. Однако, динамика перемещений, такая как трение, неожиданные движения назад, инерция усложняет задачу точно определить и контролировать конечное положение и силы только на основе врожденных, инстинктивных ощущений, и это подчеркивает, что только кинестетической информации недостаточно для воссоздания движений в робототехнике [4]. Возникает необходимость соединить и обогатить кинестетическую информацию тактильной. У людей, ослабление тактильной чувствительности затрудняет совершение движений, так как мозг не получает достаточно информации о механическом контакте, которая необходима для планирования и контроля действий, и которая основывается на механических действиях и обозначает переход между последовательными фазами действий [5]. Сигналы, передающиеся от идущих к центру импульсов, играют решающую роль во время таких переходов. Примером могут послужить различные этапы хватательных движений , а именно – дотянуться до объекта, взять, поднять, удержать, переместить, положить в определенное место – эта цепочка рассматривается как ряд отдельных тактильных событий в силу определенных тактильных реакций. Быстро адаптируемые (БА) рецепторы реагируют на переходные воздействия – БА-I реагируют в конце фазы дотягивания и разгрузки, установки на место, и БА-II – реагируют в начале фаз по загрузке и разгрузке. Подобным образом, медленно адаптируемые (МА) рецепторы МА-I и МА-II реагируют при приложении статических сил к объекту. Активность рецепторов во время различных фаз хватательных движений дает представление о временных рамках контакта, точках контакта, направления сил контактирования и формы зоны контакта. Мозг использует всю поступающую в него информацию, когда человек взаимодействует с объектом, и подобная информация необходима и для робота в его взаимодействии с объектами. Наряду с измерением сил взаимодействия и контакта при помощи тактильных датчиков полезными могут быть измерения свойств материалов, таких как твердость, температура объекта.


Использование тактильных ощущений человека для лучшей разработки и конструкции тактильных датчиков


Разработка полной значимой системы восприятия для роботов должна основываться на обширных и интегрированных знаниях как тактильные ощущения кодируется и передается на различных стадиях взаимодействия через тактильные датчики. В этом контексте, различные исследования о человеческой системе ощущений является хорошей базой для разработок. Подобные исследования очень важны в условии недостаточно разработанной теории ловкой системы восприятия для роботов, которая могла бы помочь определить специфические параметры, важные для системы, такие как плотность ощущений, разрешение, точка приложения.

Кожа человека очень сложна по своей структуре, и тактильная информация воспринимается и передается различными рецепторами, расположенными на коже в определенных местах и на определенной глубине, а также передающими сигналами со специфическими пространственно-временными характеристиками [6]. Плотность различных рецепторов изменяется в зависимости от участка тела. В качестве примера, рецепторы БА-I имеют более высокую плотность [5] , чем МА-I на кончиках пальцев, и это отражает важность получения пространственных особенностей динамических механических действий и поддержания необходимости наличия динамических тактильных датчиков у роботов.

Механорецепторы – это не простые передатчики. Как отдельно взятые, так и взятые в группе, они также обладают некоторыми местными процессами обработки. Различная значимость механорецепторов помогает независимо кодировать контакты. При рассмотрении их как группы, относительное время их первого реагирования предоставляет точную информацию о форме поверхности, с которой происходит контакт, как и направление сил, воздействующих на руку. Такая обработка данных очень важна, так как она помогает оптимально использовать ограниченные реакции нервной системы. Для робототехники, эти результаты не только означают важность располагать группу тактильных датчиков на руке робота, но также местно обрабатывать данные, полученные с этих датчиков. Минимизация данных посредством местной обработки не только способствует оптимальному использованию ограниченных вычислительных ресурсов роботов, но также ускорить передачу информации о контакте при выполнении любой задачи.

Эластичность кожи изменяется в зависимости от глубины, что может оказывать воздействие на интенсивность тактильного сигнала, который воспринимается рецепторами. Кожа имеет волнообразную структуру, имеет папиллярную структуру на кончиках пальцев, слизистые оболочки [7]. Как папиллярные бороздки, так и промежуточные бороздки оказывают воздействие на реакцию различных рецепторов на коже в различной степени [7 - 9]. Промежуточные бороздки оказывают воздействие на МА-I рецепторы [8]. Подобно, в дополнение к обеспечению лучшего захвата [10] кончики пальцев помогают ощущать очень тонкие оттенки структуры [9]. Подражание сложной структуре человеческой кожи, рецепторы на которой находятся в различных точках и на различной глубине, выполнение различных функций и оптимизация реакций на различных диапазонах частот является сложной инженерной задачей. Прибавление функционального эквивалента механорецептора к обычному тактильному датчику, используя мягкое защитное резиновое покрытие, имеющее рисунок кончиков пальцев может способствовать расширению тактильных свойств и привнесению уровня человеческой тактильности в роботизированные устройства.


Рисунок 1 – Понятие группы тактильных датчиков на основе POSFET и SEM картина построенного тактильного устройства на основе POSFET. Подобно механорецепторам человеческой кожи, каждое устройство на основе POSFET способно воспринимать и обрабатывать тактильную информацию на месте. Выход тактильного устройства на основе POSFET линеарный (с наклоном в 50mV/N) для испытываемого диапазона нормальных сил (0.15 - 5 N)

Группа тактильных датчиков на основе POSFET , созданная по аналогии с подобной системой у человека


Целесообразно иметь группу тактильных датчиков или разветвленные тактильные датчики с различной плотностью и пространственным распределением тактильных элементов на участках тела. Для кончиков пальцев необходимо большое количество быстро реагируемых (порядка нескольких милисекутд) тактильных элементов на очень маленькой площади (пространственное разрешение примерно 1 мм ). Далее, желательна местная обработка и использование меньшего количества проводов. Принимая во внимание эти требования, были разработаны тактильные устройства с группами тактильных датчиков на основе POSFET. Конструкция как POSFET устройств так и групп датчиков была подсказана принципами тактильных ощущений у человека. Тактильные устройства изготавливаются путем нанесения пьезоэлектрической полимерной пленки на MOS (структура металл-оксид-полупроводник) устройства. Сила, прилагаемая к пьезоэлектрической полимерной пленки создает заряд, который в свою очередь модулирует заряд в индуцированном канале, преобразовывая, таким образом, силу в напряжение. В отличие от обычного подхода - при котором датчики -передатчики и выравнивающие устройства являются отдельными элементами, соединенными проводами, – каждый чувствительный элемент POSFET представляет собой интегрированный блок , состоящий из передатчика и транзистора. Как показано на Рис. 1 каждый элемент POSFET, как интегральный чувствительный блок, способен воспринимать и частично обрабатывать тактильные сигналы « на месте», как это совершается рецепторами на коже человека. Отсутствие каких-либо проводов между передатчиком и транзистором снимает вопрос о сложности соединений, что является одним из основных сдерживающих факторов широкого применения распределенной системы тактильных датчиков. Система на чипах или система в пакете с электронной схемой кондиционирования и местной обработкой позволяет в дальнейшем улучшать общее функционирование группа тактильных датчиков на основе POSFET , и применение данных с тактильных датчиков для выполнения заданий. Для соответствия пространственного разрешения и точности рисунку кончиков пальцев человека , размер каждого тактильного элемента дожжен быть 1мм х 1 мм и расстояние между центрами соседних элементов должно быть 1 мм. POSFET элементы имеют линейную характеристику ответной реакции до 5 N и постоянное приращение над диапазоном частоты в 2.13 кГц. В настоящем формате группа тактильных датчиков на основе POSFET использует простое тонкое резиновое покрытие, которое не имеет никакой микроструктуры, подобной отпечаткам пальцев. В будущем, группа тактильных датчиков на основе POSFET будет иметь покрытие со структурой, подобной коже человека.


Выводы


Принципы, по которым устроены биологические тактильные системы и по которым они обрабатывают информацию для контроля поведения не всегда приводят к наилучшим инженерным решениям для роботов, но они являются полезным исследованием, помогающим понять как организмы реагируют на динамически изменяющуюся окружающую среду и также предоставляют всестороннюю и многоуровневую структуру , внутри которой можно организовать решение задачи разработки тактильных ощущений для роботизированных систем. Этот подход может привести к возникновению новых идей по улучшению уровня тактильной чувствительности роботов и повышения его до уровня человеческой чувствительности. Группа тактильных датчиков на основе POSFET идеально подходит для динамических контактных событий, подобным БА рецепторам на коже человека. Однако, структура может быть модифицирована, чтобы включить другие режимы трансдукции, которые будут чувствительны к статическим или квазистатическим контактам.


Ссылки


  1. G. Bekey, Autonomous Robots: From Biological Inspiration to Implementation and Control. Cambridge: MIT Press, 2005

  2. Touch Bionics, "The i-LIMB Hand",http://www.touchbionics.com/, 2007

  3. "iCub",www.robotcub.org, 2009

  4. R. S. Dahiya, G. Metta, M. Valle, and G. Sandini, "Tactile Sensing: From Humans to Humanoids", IEEE Transactions on Robotics, 2009 (in press)

  5. R. S. Johannson and J. R. Flanagan, "Coding and use of tactile signals from the fingertips in object manipulation tasks, " Nature Reviews Neuroscience, vol. Advance Online Publication, pp. 1-15, 2009

  6. K. O. Johnson, T. Yoshioka, and F. Vega-Bermudez, "Tactile functions of mechanoreceptive afferents innervating the hand," J. Clin Neurophysical, vol. 17, pp. 539-58, Nov 2000

  7. G. J. Gerling and G. W. Thomas, "Fingerprint Lines may not directly affect SA-I mechanoreceptor response," Somatosensory and Motor Research, vol. 25, pp. 61-76, 2008

  8. N. Cauna, "Nature and functions of the papillary ridges of the digital skin," Anatomical Reord, vol. 119, pp. 449-468, 1954

  9. J. Scheibert, S. Leurent, A. Prevost, and G. Debregeas, "The Role of Fingerprints int rhe Coding of Tactile Information Probed with a Biomimetic Sensor," Science, vol. 323, pp. 1503-1506, 2009

  10. T. Maeno, K. Kobayashi, and N. Yamazaki, "Relationship between the Structure of Human Finger Tissue and the Location of Tactile Receptors," Billetin of JSME International Journal, vol. 41, pp. 94-100, 1998