MIT 연구진이 사람의 손가락 모양을 닮은 길고 구부러진 카메라 기반 터치 센서를 개발했습니다. 넓은 영역에 걸쳐 고해상도 터치 감지를 제공하는 그들의 장치를 통해 로봇 손이 다양한 유형의 잡기를 수행할 수 있습니다. 이미지: 연구원 제공.
작성자: Adam Zewe | MIT 뉴스
파이프 렌치와 같은 무거운 물체를 한 손으로 잡는다고 상상해 보십시오. 아마도 손가락 끝뿐만 아니라 모든 손가락으로 열쇠를 잡을 것입니다. 각 손가락의 전체 길이에 걸쳐 있는 피부의 감각 수용체는 쥐고 있는 도구에 대한 정보를 뇌에 보냅니다.
로봇 손에서 카메라를 사용해 움켜쥔 물체에 대한 정보를 얻는 터치 센서는 작고 납작하기 때문에 대개 손끝에 위치합니다. 이 로봇은 손가락 끝만을 사용하여 일반적으로 꼬집는 동작으로 물체를 잡습니다. 이로 인해 수행할 수 있는 조작 작업이 제한됩니다.
MIT 연구진이 사람의 손가락 모양을 닮은 길고 구부러진 카메라 기반 터치 센서를 개발했습니다. 귀하의 장치는 넓은 영역에 걸쳐 고해상도 터치 감지 기능을 제공합니다. GelSight Svelte라고 불리는 이 센서는 두 개의 거울을 사용하여 빛을 반사하고 굴절하므로 센서 바닥에 있는 카메라가 손가락 전체 길이를 볼 수 있습니다.
또한 연구원들은 유연한 척추를 갖춘 손가락 모양의 센서를 제작했습니다. 손가락이 물체에 닿을 때 척추가 어떻게 구부러지는지 측정함으로써 센서에 가해지는 힘을 추정할 수 있습니다.
그들은 GelSight Svelte 센서를 사용하여 세 손가락의 전체 감지 영역을 사용하여 인간처럼 무거운 물체를 잡을 수 있는 로봇 손을 제작했습니다. 또한 손은 기존 로봇 그리퍼와 동일한 핀치 그립을 수행할 수도 있습니다.
이 gif는 세 개의 손가락 모양의 GelSight Svelte 센서가 통합된 로봇 손을 보여줍니다. 넓은 면적에 고해상도 터치 센싱을 제공하는 센서를 통해 손가락 끝만을 사용하는 핀치 그립, 세 손가락 전체 센싱 영역을 사용하는 파워 그립 등 손으로 다양한 그립을 수행할 수 있다. 신용: 연구원 제공.
“우리의 새로운 센서는 사람의 손가락 모양이기 때문에 모든 작업에 핀치형 그립을 사용하는 대신 다양한 작업에 대해 다양한 유형의 그립을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 평행 조 클램프로 할 수 있는 일이 많습니다. 우리 센서는 로봇으로 수행할 수 있는 다양한 조작 작업에 새로운 가능성을 열어줍니다.”라고 GelSight Svelte에 대한 논문의 주요 저자이자 기계 공학 대학원생인 Alan (Jialiang) Zhao는 말합니다.
Zhao는 수석 저자인 Edward Adelson, 뇌 및 인지 과학과의 비전 과학 교수이자 컴퓨터 과학 및 인공 지능 연구소(CSAIL)의 회원인 John and Dorothy Wilson과 함께 논문을 작성했습니다. 해당 연구는 IEEE 지능형 로봇 및 시스템 컨퍼런스에서 발표될 예정이다.
거울 거울
터치 센서에 사용되는 카메라는 크기, 렌즈의 초점 거리, 시야각에 따라 제한됩니다. 따라서 이러한 터치 센서는 작고 납작한 경향이 있어 로봇의 손가락 끝 부분에 국한됩니다.
사람의 손가락과 더욱 유사한 감지 영역이 길어지면 전체 영역을 보려면 카메라를 감지 표면에서 더 멀리 배치해야 합니다. 이는 로봇 그리퍼의 크기와 모양 제한으로 인해 특히 어렵습니다.
Zhao와 Adelson은 손가락 밑 부분에 위치한 단일 카메라를 향해 빛을 반사하고 굴절시키는 두 개의 거울을 사용하여 이 문제를 해결했습니다.
GelSight Svelte에는 카메라 앞쪽에 있는 편평한 각진 거울과 센서 뒤쪽에 있는 긴 곡선 거울이 통합되어 있습니다. 이 거울은 카메라가 전체 길이를 따라 손가락을 볼 수 있도록 카메라의 광선을 재분배합니다.
거울의 모양, 각도, 곡률을 최적화하기 위해 연구원들은 빛의 반사와 굴절을 시뮬레이션하는 소프트웨어를 설계했습니다.
Zhao는 “이 소프트웨어를 사용하면 거울의 배치와 곡선의 모양을 쉽게 조작하여 실제로 센서를 제조한 후 이미지가 얼마나 좋아 보일지 아이디어를 얻을 수 있습니다”라고 설명합니다.
거울, 카메라, 조명용 LED 2세트는 플라스틱 백본에 부착되어 있으며 실리콘 젤로 만든 유연한 스킨에 싸여 있습니다. 카메라는 내부에서 피부의 뒷면을 봅니다. 변형을 기반으로 접촉이 발생한 위치를 확인하고 물체의 접촉 표면의 형상을 측정할 수 있습니다.
손가락 모양의 터치 센서를 구성하는 구성 요소에 대한 분석입니다. 이미지: 연구원 제공.
또한, 빨간색과 녹색 LED 어레이는 서로 다른 센서 위치의 색상 채도로 인해 물체를 잡을 때 젤이 얼마나 깊게 눌려지는지에 대한 아이디어를 제공합니다.
연구자들은 이 색상 채도 정보를 사용하여 이미지화되는 물체의 3D 깊이 이미지를 재구성할 수 있습니다.
센서의 플라스틱 척추를 통해 손가락에 가해지는 토크와 같은 고유 감각 정보를 확인할 수 있습니다. 척추는 물체를 잡을 때 구부러지고 구부러집니다. 연구원들은 기계 학습을 사용하여 이러한 척추 변형을 기반으로 센서에 얼마나 많은 힘이 가해지는지 추정합니다.
그러나 이러한 요소를 작동하는 센서로 결합하는 것은 쉬운 일이 아니라고 Zhao는 말합니다.
“거울이 시뮬레이션에서 얻은 것과 일치하도록 곡률이 올바른지 확인하는 것은 어려운 일입니다. 또한, 실리콘의 경화를 방해하는 몇 가지 유형의 초강력 접착제가 있다는 것을 깨달았습니다. “실제로 작동하는 센서를 만드는 데는 많은 실험이 필요했습니다.”라고 그는 덧붙였습니다.
다목적 그립
디자인을 완성한 후 연구원들은 센서의 여러 위치에서 나사와 같은 물체를 눌러 GelSight Svelte를 테스트하여 이미지 선명도를 확인하고 물체의 모양을 얼마나 잘 결정할 수 있는지 확인했습니다.
또한 세 개의 센서를 사용하여 핀치 그립, 측면 핀치 그립, 세 손가락의 전체 감지 영역을 사용하는 파워 그립을 포함하여 여러 그립을 수행할 수 있는 GelSight Svelte 손을 구축했습니다. 평행한 턱이 있는 점적기 모양의 대부분의 로봇 손은 핀치 그립만 수행할 수 있습니다.
세 손가락 파워 그립을 사용하면 로봇 손이 더 무거운 물체를 보다 안정적으로 잡을 수 있습니다. 그러나 핀치 그립은 물체가 매우 작을 때 여전히 유용합니다. 한 손으로 두 가지 유형의 쥐기를 모두 수행할 수 있으면 로봇의 다양성이 더욱 높아질 것이라고 그는 말합니다.
앞으로 연구원들은 센서가 관절로 연결되어 인간의 손가락처럼 관절을 구부릴 수 있도록 GelSight Svelte를 개선할 계획입니다.
“광학 터치 센서를 사용하면 로봇이 저렴한 카메라를 사용하여 표면 접촉에 대한 고해상도 이미지를 수집할 수 있으며, 유연한 표면의 변형을 관찰함으로써 로봇은 접촉 모양과 가해지는 힘을 추정합니다. “이 연구는 전체 손가락 범위의 개선과 이미지 차이와 기계 학습을 사용하여 굴곡 편향 토크를 근사화하는 능력을 갖춘 GelSight 손가락 디자인의 발전을 나타냅니다.”라고 스탠포드 대학의 기계 공학 조교수인 Monroe Kennedy III는 말합니다. 이번 연구에 참여했습니다. “인간의 능력에 접근하기 위해 로봇의 촉각을 향상시키는 것은 복잡하고 능숙한 작업을 수행할 수 있는 로봇을 개발하기 위한 필수 요소이자 촉매 문제일 수도 있습니다.”
이 연구는 부분적으로 Toyota Analysis Institute의 지원을 받습니다.
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