Sistema Inovador de Detecção de Forma e Contato Aumenta Segurança de Robôs Contínuos

Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão, Ishikawa, Japão

Quando um humano toca o robô, o robô muda seu movimento para evitar colisão. (Imagem: Van Anh Ho do JAIST)

Inspiração na Natureza

Na natureza, muitos organismos como polvos com seus tentáculos flexíveis ou elefantes com suas trombas exibem destreza notável. Inspirados por estas estruturas naturais, pesquisadores visam desenvolver robôs contínuos altamente flexíveis que ofereçam robustez e segurança. Idealmente, um robô contínuo é caracterizado por muitos graus de liberdade (GDLs) e número de juntas, mais do que o necessário para a maioria das tarefas. Estas características permitem que eles ajustem e modifiquem sua forma dinamicamente, permitindo-lhes evitar obstáculos e situações inesperadas. No entanto, seus movimentos complexos tornam difícil caracterizar sua forma e movimento.

Limitações das Abordagens Tradicionais

Técnicas analíticas tradicionais para obter soluções para problemas cinemáticos e dinâmicos de robôs contínuos dependem de modelagem complexa, aumentando o custo computacional. Alternativamente, sensores flexíveis embutidos em robôs contínuos podem ser usados para rastrear sua forma e movimento, mas este método requer muitos sensores de baixa resolução, tornando o sistema incômodo. Uma solução mais promissora é empregar um único módulo de sensoriamento na extremidade de um robô contínuo. No entanto, estudos anteriores nesta direção focaram principalmente na postura do robô e não abordaram a detecção de contato.

Sistema ConTac

Abordando esta lacuna, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pela Professora Associada Van Anh Ho do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), desenvolveu um novo sistema chamado ConTac. Este sistema pode estimar a forma e o contato de um braço robótico com pele macia.

Segundo a Dra. Ho, "O objetivo final deste sistema é ser implementado em um robô contínuo, mas neste estudo, focamos na percepção usando um braço robótico articulado e pele macia para verificação." A equipe incluiu estudantes de doutorado Tuan Tai Nguyen e Quan Khanh Luu do JAIST, bem como o Dr. Dinh Quang Nguyen da universidade VNU-UET em Hanói.

O sistema ConTac consiste em uma coluna vertebral que imita a flexão de um robô contínuo, pele macia com marcadores, uma câmera para observar deformação da pele, modelos para sensoriamento de forma e contato da pele, e um regime de controle consciente de contato. Este sistema pode ser aplicado a qualquer unidade ConTac ou qualquer outro robô com o mesmo mecanismo e forma sem qualquer calibração.

Uma unidade ConTac é um braço robótico emulado contínuo montado com coluna vertebral e pele macia. Os pesquisadores também desenvolveram um controlador baseado em admittância para este sistema que usa informação perceptual para guiar os movimentos do braço robótico. Além disso, a unidade ConTac é custo-efetiva e pode ser fabricada com materiais convencionais.

Modelos de Aprendizado Profundo e Transferibilidade

Este sistema inovador emprega dois modelos de aprendizado profundo para reconstrução de forma e detecção de contato da pele contínua macia. Estes modelos foram treinados inteiramente usando imagens de simulação e então adaptados diretamente a robôs reais sem ajuste fino, economizando tempo e recursos. A transferibilidade do sistema foi testada em duas unidades ConTac diferentes, que performaram similarmente sem quaisquer ajustes adicionais.

Destacando a significância deste estudo, a Dra. Ho disse: "O sistema ConTac visa ser usado em uma variedade de sistemas robóticos sem a necessidade de ajustes complexos. Braços robóticos flexíveis equipados com nosso sistema são ideais para agricultura inteligente e serviços de saúde onde robôs devem navegar ambientes com muitos obstáculos e interagir com segurança com humanos. Sua maciez e flexibilidade combinadas com a capacidade de sentir o ambiente os tornam perfeitos para interagir com plantas e pacientes."

Os princípios de sensoriamento e controle usados nesta estrutura poderiam levar a novos sensores táteis que podem ser anexados a qualquer sistema robótico existente, oferecendo novos paradigmas de sensoriamento e controle para interação humano-robô segura sem alterar o design original do robô. "Imagine uma sociedade onde todo robô e máquina possui sentido de tato. Esta transformação revolucionaria indústrias e a vida diária", disse a Dra. Ho.

Para mais informações, contate Van Anh Ho em este e-mail; +81 761-51-1584.