Tecnologia Científica

Uma maneira flexível de pegar itens com sentimento
Os engenheiros do MIT Edward Adelson e Sandra Liu desenvolvem uma garra robótica com ricas capacidades sensoriais.
Por Rachel Gordon - 16/04/2022


A garra GelSight Fin Ray segura um frasco Mason de vidro com seu sensor tátil. Foto cortesia do MIT CSAIL.

A noção de um grande robô metálico que fala em tom monótono e se move em passos pesados ​​e deliberados é um pouco difícil de abalar. Mas os praticantes no campo da robótica leve têm uma imagem totalmente diferente em mente – dispositivos autônomos compostos de peças compatíveis que são gentis ao toque, mais parecidas com dedos humanos do que R2-D2 ou Robby the Robot.

Esse modelo agora está sendo perseguido pelo professor Edward Adelson e seu Grupo de Ciência Perceptiva no Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) do MIT. Em um projeto recente , Adelson e Sandra Liu – estudante de doutorado em engenharia mecânica na CSAIL – desenvolveram uma garra robótica usando novos dedos “GelSight Fin Ray” que, como a mão humana, são flexíveis o suficiente para manipular objetos. O que diferencia este trabalho de outros esforços no campo é que Liu e Adelson dotaram sua garra com sensores de toque que podem atender ou exceder a sensibilidade da pele humana.

Seu trabalho foi apresentado na semana passada na 2022 IEEE 5th International Conference on Soft Robotics.

O raio da barbatana tornou-se um item popular na robótica leve devido a uma descoberta feita em 1997 pelo biólogo alemão Leif Kniese. Ele notou que quando ele empurrava o rabo de um peixe com o dedo, o raio se curvava em direção à força aplicada, quase abraçando seu dedo, em vez de se afastar. O design tornou-se popular, mas carece de sensibilidade tátil. “É versátil porque pode se adaptar passivamente a diferentes formas e, portanto, agarrar uma variedade de objetos”, explica Liu. “Mas, para ir além do que outros no campo já haviam feito, decidimos incorporar um sensor tátil rico em nossa garra.”

A garra consiste em dois dedos flexíveis de raios de barbatana que se adaptam à forma do objeto com o qual entram em contato. Os próprios dedos são montados a partir de materiais plásticos flexíveis feitos em uma impressora 3D, o que é bastante padrão no campo. No entanto, os dedos normalmente usados ​​em garras robóticas macias têm suportes transversais de suporte que percorrem todo o comprimento de seus interiores, enquanto Liu e Adelson esvaziaram a região interior para que pudessem criar espaço para sua câmera e outros componentes sensoriais.

A câmera é montada em um suporte semi-rígido em uma extremidade da cavidade oca, que é iluminada por LEDs. A câmera enfrenta uma camada de almofadas “sensoriais” compostas de gel de silicone (conhecido como “GelSight”) que é colado a uma fina camada de material acrílico. A folha de acrílico, por sua vez, é fixada ao dedo de plástico na extremidade oposta da cavidade interna. Ao tocar um objeto, o dedo se dobrará perfeitamente ao redor dele, fundindo-se aos contornos do objeto. Ao determinar exatamente como as folhas de silicone e acrílico são deformadas durante essa interação, a câmera - juntamente com os algoritmos computacionais que o acompanham - pode avaliar a forma geral do objeto, sua rugosidade de superfície, sua orientação no espaço e a força aplicada (e transmitida a) cada dedo.

Liu e Adelson testaram sua garra em um experimento durante o qual apenas um dos dois dedos foi “sensorizado”. Seu dispositivo lidou com sucesso com itens como uma minichave de fenda, um morango de plástico, um tubo de tinta acrílica, um frasco Ball Mason e um copo de vinho. Enquanto a pinça segurava o morango falso, por exemplo, o sensor interno conseguiu detectar as “sementes” em sua superfície. Os dedos agarraram o tubo de tinta sem apertar com tanta força a ponto de romper o recipiente e derramar seu conteúdo.

O sensor GelSight podia até identificar as letras no frasco Mason, e o fez de uma maneira bastante inteligente. A forma geral do frasco foi verificada primeiro vendo como a folha de acrílico foi dobrada quando enrolada em torno dela. Esse padrão foi então subtraído, por um algoritmo de computador, da deformação da almofada de silicone, e o que restou foi a deformação mais sutil devido apenas às letras.

Objetos de vidro são desafiadores para robôs baseados em visão por causa da refração da luz. Os sensores táteis são imunes a essa ambiguidade óptica. Quando a garra pegava o copo de vinho, ele podia sentir a orientação da haste e podia certificar-se de que o copo estava apontando para cima antes de ser abaixado lentamente. Quando a base tocou o tampo da mesa, a almofada de gel sentiu o contato. A colocação adequada ocorreu em sete de 10 tentativas e, felizmente, nenhum vidro foi danificado durante as filmagens deste experimento.

Wenzhen Yuan, professor assistente do Robotics Institute da Carnegie Mellon University, que não participou da pesquisa, diz: corpos macios”, diz Yuan. “Este artigo fornece uma solução elegante para esse problema. Os autores usaram um design muito inteligente para fazer seu sensor baseado em visão funcionar para a garra compatível, dessa forma gerando resultados muito bons quando os robôs agarram objetos ou interagem com o ambiente externo. A tecnologia tem muito potencial para ser amplamente utilizada para garras robóticas em ambientes do mundo real.”

Liu e Adelson podem prever muitas aplicações possíveis para o GelSight Fin Ray, mas primeiro estão contemplando algumas melhorias. Ao esvaziar o dedo para liberar espaço para seu sistema sensorial, eles introduziram uma instabilidade estrutural, uma tendência a torcer, que acreditam poder ser neutralizada por meio de um design melhor. Eles querem fazer sensores GelSight que sejam compatíveis com robôs macios desenvolvidos por outras equipes de pesquisa. E eles também planejam desenvolver uma pinça de três dedos que pode ser útil em tarefas como pegar pedaços de frutas e avaliar sua maturação.

A detecção tátil, em sua abordagem, é baseada em componentes baratos: uma câmera, algum gel e alguns LEDs. Liu espera que, com uma tecnologia como o GelSight, “seja possível criar sensores que sejam práticos e acessíveis”. Esse, pelo menos, é um objetivo pelo qual ela e outros no laboratório estão se esforçando.

O Toyota Research Institute e o US Office of Naval Research forneceram fundos para apoiar este trabalho.

 

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