Новый датчик позволяет роботам видеть приближение людей и чувствовать малейшие прикосновения
Исследователи из Южно-Китайского технологического университета разработали инновационную электронную кожу, которая позволяет роботам одновременно решать две противоположные задачи: обнаруживать приближающихся людей на расстоянии и чувствовать малейшие прикосновения при работе с хрупкими предметами. Ранее инженеры сталкивались с неустранимым противоречием: маленькие электроды обеспечивали высокую точность осязания, но не могли "видеть" дальше нескольких миллиметров, в то время как крупные датчики хорошо чувствовали объекты издалека, но теряли чувствительность при контакте. Это ограничение долгое время сдерживало развитие так называемой "электронной кожи" для коллаборативных роботов.
Вдохновением для ученых послужил принцип работы человеческого глаза. Как объяснил доктор Се, один из авторов разработки, когда человек читает книгу, его зрачки сужаются, чтобы сфокусироваться на мелких деталях, а когда смотрит вдаль — расширяются, чтобы уловить больше света. Этот же логический принцип ученые применили к электрическим полям. Ключевым элементом новой системы стал динамический экранирующий слой, расположенный над массивом электродов. Изменяя способ электрического соединения и маскировки электродов, система может переключаться между режимом дальнего обнаружения и детального осязания, не меняя при этом физического размера самих сенсоров.
В режиме, когда экранирующий слой сужает область чувствительности, робот фокусируется на отдельных единицах сенсора, что позволяет ему различать мельчайшие тактильные детали, например, при захвате хрупких деталей или определении границ мелких объектов. Когда же экран расширяет зону восприятия, электроды проецируют электрическое поле дальше в пространство, позволяя роботу замечать приближающиеся объекты еще до касания. Благодаря такой архитектуре, максимальная глубина обнаружения объектов была увеличена более чем вдвое — прирост составил 104,56 процента по сравнению с традиционными двухрежимными датчиками.
В ходе испытаний новый сенсор фиксировал приближение объектов с расстояния более 90 миллиметров. Хотя эта дистанция может показаться небольшой, её достаточно, чтобы промышленный робот успел остановиться и избежать столкновения с человеком-оператором в условиях оживленного производства. При этом после контакта датчик способен регистрировать чрезвычайно легкие касания (силой всего в несколько граммов) и одновременно выдерживать высокое давление до 400 кПа. Это сочетание свойств сделает роботов более безопасными и универсальными в средах, где машины непосредственно взаимодействуют с людьми.
Тем не менее, для масштабирования технологии и ее внедрения в реальный сектор потребуется преодолеть ряд трудностей. Для достижения высокой чувствительности ученые использовали метод создания микроскопических пор в материалах сенсора, что привело к появлению структур, напоминающих губку. В прототипах это вызвало небольшой разброс характеристик между отдельными датчиками — от 6,3 до 6,8 процента. Кроме того, емкостные датчики чувствительны к электромагнитным помехам, перепадам температуры и влажности, что критично для промышленной среды с тяжелым оборудованием. В будущем исследователи планируют улучшить экранирование или применить алгоритмы машинного обучения для фильтрации помех. Если эти проблемы будут решены, роботы смогут полагаться на единую адаптивную электронную кожу, заменяющую несколько громоздких систем восприятия.
Результаты работы в журнале International Journal of Extreme Manufacturing.