Захватывать предметы разных размеров, форм и текстур - задача, которая легка для человека, но сложна для робота. Исследователи из Кембриджского университета разработали мягкую роботизированную руку с 3D-печатью, которая не может самостоятельно двигать пальцами, но все же может выполнять ряд сложных движений.

Рука робота была обучена хватать различные предметы и была способна предсказать, уронит ли он их, используя информацию, получаемую от датчиков, размещенных на его "коже".

Этот тип пассивного движения значительно упрощает управление роботом и повышает его энергоэффективность по сравнению с роботами с полностью моторизованными пальцами. Исследователи говорят, что их адаптируемый дизайн может быть использован при разработке недорогой робототехники, которая способна к более естественным движениям и может научиться захватывать широкий спектр объектов. Результаты опубликованы в журнале Передовые интеллектуальные системы.

В мире природы движение является результатом взаимодействия между мозгом и телом: это позволяет людям и животным передвигаться сложными способами, не затрачивая ненужного количества энергии. За последние несколько лет мягкие компоненты начали интегрироваться в дизайн робототехники благодаря достижениям в области технологий 3D-печати, которые позволили исследователям усложнять простые, энергоэффективные системы.

Человеческая рука очень сложна, и воссоздание всей ее ловкости и приспособляемости в роботе является масштабной исследовательской задачей. Большинство современных продвинутых роботов не способны выполнять манипуляционные задачи, которые маленькие дети могут выполнять с легкостью. Например, люди инстинктивно знают, какую силу нужно приложить, чтобы поднять яйцо, но для робота это непростая задача: слишком большая сила, и яйцо может разбиться; слишком маленькая, и робот может его уронить. Кроме того, полностью приводимая в действие рука робота с двигателями для каждого сустава каждого пальца требует значительного количества энергии.

В лаборатории биоинженерной робототехники профессора Фумии Ииды на инженерном факультете Кембриджа исследователи разрабатывают потенциальные решения обеих проблем: рука робота, способная захватывать различные объекты с нужным усилием, затрачивая при этом минимальное количество энергии.

"В более ранних экспериментах наша лаборатория показала, что можно добиться значительного диапазона движений руки робота, просто двигая запястьем", - сказал соавтор исследования доктор Томас Джордж-Турутель, который сейчас работает в Восточном Университетском колледже Лондона (UCL). "Мы хотели посмотреть, сможет ли рука робота, основанная на пассивном движении, не только хватать предметы, но и предсказывать, уронит он их или нет, и соответствующим образом адаптироваться".

Исследователи использовали напечатанную на 3D-принтере антропоморфную руку, имплантированную с тактильными датчиками, чтобы рука могла ощущать, к чему прикасается. Рука была способна только на пассивные движения, основанные на запястье.

Команда провела более 1200 тестов с помощью руки робота, наблюдая за его способностью хватать небольшие предметы, не роняя их. Первоначально робот был обучен использовать маленькие пластиковые шарики, напечатанные на 3D-принтере, и хватал их, используя заранее определенное действие, полученное в результате демонстрации человеком.

"Такая рука обладает некоторой упругостью: она может поднимать предметы сама по себе, без какого-либо движения пальцев", - сказал первый автор доктор Киран Гилдей, который сейчас работает в EPFL в Лозанне, Швейцария. "Тактильные датчики дают роботу представление о том, насколько хорошо выполняется захват, поэтому он знает, когда начинает скользить. Это помогает ему предсказывать, когда что-то пойдет не так".

Робот использовал метод проб и ошибок, чтобы узнать, какой захват будет успешным. Закончив тренировку с мячами, он попытался схватить различные предметы, включая персик, компьютерную мышь и рулон пузырчатой пленки. В этих тестах рука смогла успешно схватить 11 из 14 предметов.

"Датчики, которые чем-то похожи на кожу робота, измеряют давление, оказываемое на объект", - сказал Джордж-Турутель. "Мы не можем точно сказать, какую информацию получает робот, но теоретически он может оценить, где был схвачен объект и с какой силой".

"Робот узнает, что комбинация определенного движения и определенного набора данных датчиков приведет к сбою, что делает его настраиваемым решением", - сказал Гилдей. "Рука очень проста, но она может поднять много предметов с помощью одной и той же стратегии".

"Большим преимуществом этой конструкции является диапазон движения, который мы можем получить без использования каких-либо приводов", - сказал Иида. "Мы хотим максимально упростить раздачу. Мы можем получить много полезной информации и высокую степень контроля без каких-либо исполнительных механизмов, так что, когда мы их добавим, мы получим более сложное поведение в более эффективном пакете ".

Полностью приводимая в действие роботизированная рука, помимо количества энергии, которое ей требуется, также представляет собой сложную проблему управления. Пассивная конструкция руки, разработанная в Кембридже и использующая небольшое количество датчиков, облегчает управление, обеспечивает широкий диапазон движений и упрощает процесс обучения.

В будущем система может быть расширена несколькими способами, например, путем добавления возможностей компьютерного зрения или обучения робота использовать окружающую среду, что позволило бы ему охватывать более широкий спектр объектов.

Эта работа была профинансирована UK Research and Innovation (UKRI) и Arm Ltd. Фумия Иида - научный сотрудник колледжа Корпус-Кристи в Кембридже.