Mohli by ste opísať technológie použité pri návrhu vašich hmatových snímačov?
BioTac® je jediná technológia snímačov, ktorá prepožičiava robotom schopnosť replikovať ľudský dotyk. Samotná technológia vo vnútri hmatových snímačov nie je príliš exotická: flexibilné obvody, snímače tlaku, termistory, elektródy a plastové diely. Avšak spôsob akým sme zladili tieto prvky dohromady – napodobňujú fyzikálne vlastnosti a zmyslové schopnosti ľudského prsta – robia BioTac jedinečným. BioTac má schopnosť detegovať sily, vibrácie či teplotný tok zo snímača, ktorý má anatomické črty a mechanické vlastnosti podobné ľudskému prstu.
Po pritlačení na objekt BioTac, rovnako ako ľudia, deteguje sily ako deformáciu svojej pokožky. Funguje na princípe vodivej tekutej vrstvy medzi silikónovou elastomérnou pokožkou a tuhou kosťou. Tlak na objekt teda deformuje pokožku s tekutými vrstvami a spôsobuje zmeny tvaru vodivých plôch. Tieto informácie sa môžu použiť na extrakciu normálovej sily, šmykovej sily a na identifikáciu referenčných bodov.
Po vypadnutí alebo vyšmyknutí objektu dokáže BioTac detegovať vibrácie, keďže má vo vnútri tuhej kosti snímač tlaku. Pritláčanie objektu vytvára vibrácie, ktoré sú prenášané prostredníctvom nestlačiteľnej kvapaliny do snímača tlaku. Snímač tlaku pri meraní týchto vibrácií pôsobí ako hydrofón. Tieto údaje sa dajú použiť na získanie informácií o textúre objektu a ďalších okolitých podmienkach.
Ak sa BioTac nakoniec pritlačí k objektu, tak deteguje teplotný tok. Elektronika vo vnútri zahrieva BioTac približne na telesnú teplotu. Pritlačením k objektu s inou teplotou sa dá získať teplotný gradient. Všetky objekty majú typicky izbovú tepotu – čiže sú chladnejšie – teplo prijímajú z BioTac. Tento tepelný tok predstavuje sklon signálu z termistora.
Ak porovnáme vaše hmatové snímače s tým, čo Takktile alebo iné podobné spoločnosti vyrobili, aké sú medzi nimi rozdiely? Aké sú prednosti vášho hmatového prístupu?
Hlavný cieľom hmatového snímania je pridať robotickým rukám schopnosť vykonávať úlohy ako ľudská bytosť, napríklad identifikáciu alebo manipuláciu s objektom. Vychádza sa samozrejme z ľudskej ruky. Vytvárali sme biomimetické návrhy a naučili sme sa, ktoré hmatové informácie sú užitočné.
Ak by šikovné ruky potrebovali taxelové pole s vysokým rozlíšením, tak by ľudia nemohli používať nástroje, keďže ľudská ruka takého pole nemá. Namiesto toho sú ľudskou rukou snímané deformácie, vibrácie a teplotné gradienty. Tieto zmysly premenili ľudské ruky na užitočný nástroj a prostredníctvom BioTac sú k dispozícii aj pre robotiku. Ďalšie snímače ako je Takktile, Tekscan, Pressure Profile Systems poskytujú taxelové pole s vysokým rozlíšením. Jedná sa o vylepšené verzie rovnakých typov snímačov, ktoré sa používali už desiatky rokov.
Naša biomemitická konštrukcia presahuje napodobňovanie zmyslových schopností prstov. Najprv sme museli pochopiť kľúčové mechanické vlastnosti prsta: tvar kosti, povrch pokožky, prítomnosť odtlačkov a zdanlivo nedôležitých funkcií ľudského prsta, ktoré sú rozhodujúce pre identifikáciu a manipuláciu s objektmi. Snímače Takktile, Tekscan a Pressure Profile Systems sú nasadené ako široké, ploché a pomerne tuhé povrchy v porovnaní s mäkkým a zakriveným ľudským prstom.
Nie náhodou majú prsty podobné ľudským primáty, či aj napríklad medvedíky čistotné, ktoré sú známe pre svoju obratnosti. Ak chcete použiť robotické a protetické ruky v rovnakom prostredí pre podobné úlohy ako ľudské ruky, musíte vyriešiť všetky príslušné požiadavky. Užitočné hmatové snímače pre roboty kombinujú správne mechanické vlastnosti so správnymi snímacími technológiami v celku, ktorý je robustný a opraviteľný v teréne.
Prečo sú pohyby našich prstov a hmat tak úzko prepojené?
David Katz popísal tento jav slovami: „Hmatové vlastnosti nášho okolia na nás nepôsobia ako farby. Zostávajú nemé, až kým ich neprinútime hovoriť,“ a pokračuje ďalej „pohyby očí nevytvárajú farby, no pohyby prstov dotyk vytvárajú“. Náš generálny riaditeľ. Dr. Gerald Loeb toto tvrdenie ešte rozšíril: „Na rozdiel od iných spôsobov snímania je hmatové snímanie založené na výskyte určitej udalosti – kolízie medzi snímaným objektom a samotným snímačom. Snímače môžu byť navrhnuté tak, aby cítili rôzne mechanické alebo teplotné aspekty nárazu, ale čo v skutočnosti cítia, je nutne determinované mechanickou dynamikou tejto interakcie.“
Ako som už spomínal, hmatové snímanie v ľudských rukách je tvorené kombináciou mechanických vlastností a snímacích vlastností, ktoré sa snímač BioTac snaží napodobniť. Vytvorenie užitočných údajov pomocou hmatových snímačov si vyžaduje vnemy. Ľudské alebo robotické prsty na objavovanie objektov (stratégiou z minulosti) sa dostávajú do zrážok s predmetmi a takto generujú užitočné informácie – vnemy. Naše komplexné znalosti mechanických funkcií prsta, zmyslových schopností a exloračných stratégií rúk vytvárajú užitočné vnemy, ktoré vytvorilo nové pole pôsobnosti nami nazývané Machine Touch.
Aké robotické aplikácie by sa dali vytvoriť použitím trojprstého adaptívneho robotického chápadla a vášho hmatového snímača?
Existujú dve hlavné skupiny robotických technológií a hmatové snímanie má pre obe veľkú budúcnosť: autonómne roboty a teleroboty (Systémy s diaľkovým riadením). V obidvoch prípadoch roboty musia pracovať s mechanicky komplikovanými, nepredvídateľnými a krehkými predmetmi. Táto skutočnosť spája potreby týchto zdanlivo nesúrodých typov robotov.
Hmatová spätná väzba u ľudí obsahuje skryté základné reflexy, pomocou ktorých riadiaci člen (mozog) deleguje aktuálne riadenie svalov.
Tieto reflexy sú dôležité, keďže čakania na spracovanie informácií mozgom môže vytvoriť pomalé regulačné obvody. SynTouch zaviedol tzv. lokálny reflex pre protetickú ruku (forma telerobota), ktorý sa ukázal byť dôležitý. V autonómnych robotoch je riadiaci člen počítač, ktorý vyberá a konvertuje tieto reflexy s podobným spôsobom ako riadi ľudský mozog miechu. V telerobotike je riadiacim členom ľudský operátor, ktorý musí byť schopný nastaviť rýchle a automatické reflexy rovnakým spôsobom ako bežne používa svoje ruky.
Okatejšie použitie hmatového snímania je vedomé vnímanie objektu a mapovanie jeho podobnosti s predtým vnímanými objektmi. SynTouch implementoval tzv. prieskumné pohyby, ktoré umožnili autonómnym robotom rozlíšiť a identifikovať objekty na základe ich haptických vlastností. V telerobotike má prospech z týchto informácii ľudská obsluha. V tomto prípade je dôležitý hmatový displej. Mikrofóny a reproduktory, videokamery a monitory, teraz hmatové snímače a hmatové displeje sú spárované záznamové a zobrazovacie zariadenia, ktoré dovoľujú operátorom telerobotov vzdialene „zažiť“ svet. Návrh hmatového displeja si vyžaduje schopnosť pochopiť ľudské hmatové snímanie. V súčasnej dobe v SynTouch vyvíjame hmatové reflexy – schopnosť vykonávať autonómnu identifikáciu objektu a technológiu telerobotického hmatového displeja.
Mohli by ste predstaviť ďalšie kroky pri vývoji tohto snímača?
BioTac je v podstate vo finálnej podobe, ktorá napodobňuje nahú pokožku končekov prstov. Dostali sme však aj celý rad požiadaviek na výrobu snímačov vhodných pre iné oblasti robotov: teda ich končatiny a telá. Zároveň vyvíjame NumaTac® – zjednodušenú verziu BioTac. Je to vzduchom plnený snímač, ktorý má rovnaké poslanie ako pokožka s chĺpkami ľudského tela, čo nám umožňuje naraziť do sveta okolo nás bez toho, aby sme okolie príliš zranili (alebo seba). Kompatibilná pokožka stratí veľa nárazovej energie a zmyslové funkcie naštartuje naše reflexy a zastavia pohyb. V praxi to znamená, že inak krehké roboty spôsobia sebe menej škody a zároveň aj neohrabané roboty spôsobia menšie škody svetu okolo seba.
Na akých ďalších projektoch a s akými spoločnosťami teraz pracujete? Čo predstavuje úspech integrácie?
SynTouch je najrozšírenejším integrovaným hmatovým snímačom: po integrácii s Robotiq sme vyvinuli rozhrania pre výrobcov robotických chápadiel: Shadow Robot Company, Kinova, Schunk, Simlab, Barrett Technology a pre komplexných robotických výrobcov ako: Willow Garage, Rainbow Robot, ktorý vyrábajú roboty PR2 a HUBO a pre spoločnosti vyrábajúce protetické ruky: Motion Control a OttoBock.Pracujeme aj s rôznymi inými spoločnosťami (pôsobiacimi napríklad v kozmetike, spotrebnej elektronike, či v spotrebnom tovare). Tieto spoločnosti nemajú záujem o robotické aplikácie, naše snímače používajú na získanie užitočných informácií o tom, ako ich produkty zákazníci cítia. Je dôležité si totiž uvedomiť, že ľudský dotyk s produktom je súčasťou spotrebiteľského vnímania vlastností produktu. Aplikácie majú obrovské využitie – môžu byť využívané na všetko, čo očakávate od vlastných prstov: vyššiu zručnosť s predmetom, ochranu pred poškodením, ochranu osôb a zlepšenie kvality výrobkov.
