Uboreshaji wa Kiolesura cha Elastomer-Hewa kwa Kugundua Umbali, Mguso na Nguvu kwa Robotiki

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Kazi hii inawasilisha maendeleo makubwa katika kugundua kwa ncha za vidole vya roboti kwa kuunda sensor moja iliyounganishwa inayoweza kupima Umbali (kabla ya kugusa), Ugunduzi wa Mguso (kugusa), na Nguvu (baada ya kugusa)—kwa pamoja huitwa kugundua PCF. Sensor hii inashughulikia pengo muhimu katika usimamizi wa roboti, ambapo sensor za jadi mara nyingi zina uwezo mmoja tu (kwa mfano, kugundua mguso pekee au umbali pekee), na kusababisha matatizo kama vile kufunikwa au ukosefu wa habari kabla ya kugusa.

Ubunifu wa msingi upo katika kuchanganya moduli ya kupima umbali ya wakati wa kusafiri (ToF) ya mwanga na kifuniko cha elastomer wazi kinachoweza kubadilika umbo. Uwazi wa elastomer huruhusu kugundua umbali, wakati mabadiliko ya umbo chini ya mguso yanawezesha makadirio ya nguvu. Uboreshaji mkuu ukilinganisha na kazi za awali, kama vile za Patel et al., ni uboreshaji wa jiometri ya kiolesura cha elastomer-hewa (kwa mfano, mpaka uliokunjwa) ili kudhibiti miondoko ya ndani ya mwanga, na hivyo kuondoa hitaji la hali tofauti za uendeshaji na kuboresha uwiano wa ishara-kwa-kelele na kutokuathiriwa na sifa za uso wa kitu.

2. Muundo wa Sensor na Njia

2.1 Kanuni ya Msingi ya Kugundua Kwa Mwanga

Sensor imejengwa kuzunguka moduli za kibiashara za kupima umbali ya wakati wa kusafiri (ToF) za mwanga (kwa mfano, VL53L0X). Moduli hizi hutoa mwanga wa infrared (IR) na kupima muda wa miondoko kurudi, na kutoa kipimo cha umbali moja kwa moja. Tofauti na mbinu zinazotegemea ukubwa wa mwanga, ToF hutoa kutokuathiriwa na uwezo wa kutoa mwanga wa uso wa kitu, hasara kubwa ya muundo wa awali wa Patel et al.

2.2 Uboreshaji wa Jiometri ya Kiolesura cha Elastomer-Hewa

Kigezo muhimu cha muundo ni umbo la uso wa nje wa elastomer. Kiolesura cha gorofa husababisha miondoko kubwa ya ndani ya mwanga wa IR uliotolewa kurudi kwa mpokeaji, na kuufanya ushike kikomo wakati hakuna kitu cha nje. Hii inalazimisha uendeshaji katika "hali ya umbali" yenye unyeti mdogo na mkondo mkubwa wa toa mwanga, na kudhoofisha uwiano wa ishara-kwa-kelele (SNR) wa kipimo cha nguvu.

Suluhisho lililopendekezwa ni kiolesura cha elastomer-hewa kilichokunjwa (kilichopinda). Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2 wa PDF, jiometri hii inapotosha mwanga uliodondoshwa ndani mbali na uwanja wa maono wa mpokeaji wakati hakuna lengo la nje. Hii inaruhusu sensor kufanya kazi katika usanidi mmoja ulioboreshwa wenye SNR ya juu kwa kugundua umbali na nguvu, na kuwezesha mpito laini.

2.3 Vifaa na Utengenezaji

Muundo wa sensor ni wa chanzo wazi kabisa. Vipengele muhimu ni pamoja na:

• Moduli ya sensor ya ToF ya mwanga.
• Makazi ya sensor yaliyochapishwa 3D.
• Elastomer wazi ya silikoni (kwa mfano, Ecoflex 00-30), iliyotupwa ndani ya makazi na kiolesura kilichoboreshwa kilichokunjwa.
• Kidhibiti-dogo kwa ajili ya ukusanyaji wa data.

Maagizo ya kina ya utengenezaji, faili za CAD, na programu zimetolewa kwenye hazina ya mradi: https://bitbucket.org/opticalpcf/.

3. Maelezo ya Kiufundi na Mfano wa Hisabati

Makadirio ya nguvu yanategemea kuiga elastomer kama chemchemi inayofuata mstari. Sensor ya ToF hupima umbali $d$ hadi uso wa ndani wa elastomer. Wakati kitu kinagusa na kubadilisha umbo la elastomer, umbali uliopimwa $d$ hupungua. Nguvu $F$ inakadiriwa kama:

$F = k \cdot (d_0 - d)$

Ambapo:

• $k$ ni thabiti ya chemchemi ya elastomer, iliyoamuliwa kwa majaribio.
• $d_0$ ni umbali wa msingi hadi uso wa elastomer bila mguso (yaani, unene wake).
• $d$ ni umbali uliopimwa wakati wa mguso.

Mpito kutoka kugundua umbali hadi nguvu ni endelevu. Kwa umbali ($d > d_0$), sensor huripoti umbali hadi kitu cha nje. Wakati wa mguso ($d \approx d_0$), kipimo kile kile kinabadilika laini kuwa kiwakilishi cha mkandamizo wa elastomer kwa hesabu ya nguvu.

4. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

4.1 Utendaji wa Kugundua Umbali

Sensor inagundua vitu kwa uaminifu ndani ya masafa ya 50 mm. Matumizi ya teknolojia ya ToF yameondoa kwa mafanikio utegemezi wa uwezo wa kutoa mwanga wa kitu ulioonekana katika miundo ya awali iliyotegemea ukubwa wa mwanga. Kiolesura kilichokunjwa kinazuia kujaa kwa miondoko ya ndani, na kudumisha ubora wa juu wa ishara.

4.2 Utendaji wa Kugundua Nguvu

Sensor inaonyesha majibu ya nguvu yanayofuata mstari hadi Newtoni 10. Mkunjo wa usawa (Nguvu dhidi ya $(d_0 - d)$) unafuata mstari, na kuthibitisha mfano wa chemchemi. Hali moja ya uendeshaji iliyowezeshwa na kiolesura kilichoboreshwa hutoa uwiano bora wa ishara-kwa-kelele ikilinganishwa na miundo ya hali mbili.

4.3 Uteuzi wa Kazi Iliyounganishwa

Manufaa ya sensor yalionyeshwa katika kazi ya roboti ya kutoa vitu vilivyokusanywa (Mchoro 1, Kulia). Zikiwekwa kwenye kibaniko cha WSG50, sensor hizo zilitoa:

• Umbali: Kuliongoza kibaniko kukaribia kusanyiko bila mgongano.
• Mguso: Kugundua wakati wa kugusa na kizuizi cha juu.
• Nguvu: Kuwezesha kibaniko kutumia nguvu iliyodhibitiwa, ya upole ili kuinua kizuizi bila kuvuruga kusanyiko.

Mzunguko huu wa maoni uliounganishwa ni muhimu kwa kazi nyeti za usimamizi.

5. Ufahamu Muhimu na Michango

• Kugundua PCF Kwa Umoja: Hali moja ya sensor ya gharama nafuu inayotoa habari muhimu kabla ya, wakati wa, na baada ya mguso.
• Jiometri ya Kiolesura kama Njia ya Muundo: Inaonyesha kuwa udhibiti wa njia ya mwanga kupitia muundo wa mitambo (kiolesura kilichokunjwa) kinaweza kutatua changamoto za elektroniki na usindikaji wa ishara (kubadilisha hali, SNR).
• ToF kwa Uthabiti: Kupitishwa kwa Wakati wa Kusafiri badala ya kipimo cha ukubwa wa mwanga kunashughulikia moja kwa moja suala kuu la uthabiti (utofauti wa uwezo wa kutoa mwanga) katika mazingira halisi.
• Chanzo Wazi na Inayoweza Kufikiwa: Kutolewa kamili kwa umma kunapunguza kikwazo cha kupitishwa na kuigwa katika jamii ya watafiti.

6. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Ufahamu wa Msingi, Mtiririko wa Mantiki, Nguvu na Kasoro, Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Ufahamu wa Msingi: Ujanja wa karatasi hii sio katika kuvumbua sensor mpya, bali katika hack rahisi sana ya kijiometri inayofungua uwezo kamili wa chip za kibiashara za ToF za mwanga kwa robotiki. Walitambua kuwa kikwazo kikuu cha sensor ya PCF iliyounganishwa sikuwa elektroniki, bali fizikia fujo ya mwanga ndani ya kati laini. Kwa kupinda uso, waligeuza ndoto mbaya ya usindikaji wa ishara kuwa mkondo safi wa kipimo cha hali moja. Hii ni kesi ya kawaida ya kutatua tatizo la programu/udhibiti kwa muundo wa mitambo—somo wataalam wengi wa roboti husahau.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni mkali sana: 1) Kugundua PCF ni muhimu kwa usimamizi wa ustadi. 2) Miundo ya awali ya mwanga (Patel et al.) ilizuiliwa na utegemezi wa uwezo wa kutoa mwanga na uendeshaji wa hali mbili. 3) Dhana yetu: hitaji la hali mbili linatokana na miondoko ya ndani ya mwanga. 4) Suluhisho: pinda elastomer ili kuwatawanya miondoko ya ndani mbali. 5) Matokeo: hali moja, thabiti, yenye SNR ya juu kwa umbali na nguvu. Mantiki ni imara na inaonyeshwa kwa ustadi.

Nguvu na Kasoro: Nguvu haiwezi kukataliwa—urahisi, gharama, na utendaji. Ni darasa kuu la urahisi. Hata hivyo, tuwe wakosoaji. Mfano wa chemchemi inayofuata mstari ni urahisishaji mkubwa. Elastomer kama Ecoflex ni viscoelastic; majibu yake yanategemea kiwango na yanaonyesha hysteresis. Kwa kazi za polepole, za makini kama kusanya vitu, inafanya kazi. Kwa usimamizi wa nguvu (kukamata, kupiga), itashindwa. Karatasi inakiri hii kwa kimya kwa kuzingatia kazi "nyeti". Zaidi ya hayo, vipimo vya 50mm/10N, ingawa vya vitendo, sio vya kuvunja ardhi. Thamani halisi iko katika muunganiko na laini, sio vipimo vya kibinafsi.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti: Acheni kuchukulia kugundua, mitambo, na udhibiti kama magenge tofauti. Kazi hii inaonyesha kuwa uboreshaji wa nidhamu mbalimbali (optiki + jiometri ya nyenzo) hutoa faida kubwa zaidi. Kwa tasnia: Hii ni mfano wa kugundua mguso kwa gharama nafuu na kwa uthabiti katika otomatiki ya ghala au roboti za ushirikiano. Hali ya chanzo wazi inamaanisha unaweza kutengeneza sensor ya kibaniko inayofanya kazi kwa wiki moja. Hatua inayofuata mara moja inapaswa kuwa kuchukua nafasi ya mfano wa mstari na mfano uliojifunza, unaotegemea data (mtandao mdogo wa neva) ili kukamata mienendo isiyo ya mstari ya elastomer, kufuata mwelekeo uliowekwa na kazi kama "A Large-Scale Study of Vision-Based Tactile Sensing" kutoka MIT. Unganisha vifaa vya ustadi vya karatasi hii na masomo ya mashine ya kisasa, na utakuwa na mshindi.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

• Miundo ya Juu ya Nyenzo: Kubadilisha mfano wa chemchemi inayofuata mstari na miundo isiyo ya mstari au inayotegemea data (kwa mfano, mitandao ya neva) ili kuzingatia viscoelasticity, hysteresis, na athari za joto kwa usimamizi wa nguvu.
• Muunganiko wa Sensor ya Hali Nyingi: Kuunganisha sensor hii ya PCF ya mwanga na hali nyingine, kama vile sensor za kugundua mguso zinazotegemea maono ya usahihi wa juu (kwa mfano, zinazotokana na GelSight) kwa mtazamo wa wakati mmoja wa nguvu kubwa na muundo mdogo.
• Kufanya Vidogo na Muundo wa Safu: Kukuza safu mnene za sensor hizi kwenye nyuso zilizopindika za vidole ili kutoa ramani tajiri za nguvu na umbali, sawa na "ngozi ya mwanga."
• Matumizi katika Mwingiliano wa Binadamu-Roboti: Kuweka sensor hizi kwenye roboti za ushirikiano (cobots) kwa mwingiliano wa kimwili salama na wenye kukabiliana zaidi, kwani zinatoa ufahamu wazi kabla ya mguso.
• Mazingira ya Chini ya Maji au Chafu: Kuchunguza uthabiti wa sensor katika hali zisizo bora, ingawa uwazi wa mwanga wa elastomer unaweza kuwa kikwazo kinachohitaji mipako ya kinga au urefu tofauti wa mawimbi.

8. Marejeo

1. Patel, R., et al. "A novel design of a proximity, contact and force sensing finger for robotic manipulation." IEEE Sensors Journal, 2017. (Kazi ya awali ambayo karatasi hii inaiboresha).
2. Lambeta, M., et al. "DIGIT: A Novel Design for a Low-Cost, Compact, and High-Resolution Tactile Sensor." IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2020. (Mfano wa kugundua mguso unaotegemea maono).
3. Yuan, W., et al. "GelSight: High-Resolution Robot Tactile Sensors for Estimating Geometry and Force." Sensors, 2017. (Kazi muhimu juu ya kugundua mguso kwa mwanga).
4. STMicroelectronics. "VL53L0X: Time-of-Flight ranging sensor." Datasheet. (Aina ya sensor ya kibiashara ambayo pengine ilitumika).
5. MIT CSAIL. "Tactile Sensing Research." https://www.csail.mit.edu/research/tactile-sensing (Chanzo cha mamlaka juya ya mtazamo wa kisasa wa kugundua mguso).