21/05/2024
Door Ad Spijkers
Geavanceerde tactiele sensoren in de handpalm en behendige vingers effenen de weg voor verbeteringen in mens-robotinteractie en prothesetechnologie.
"U kunt uit mijn hand eten" zult u niet snel van een robot horen. De meeste robots hebben namelijk geen handpalmen. Een nieuw robothandontwerp, ontwikkeld in het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, heeft de vaak over het hoofd geziene handpalm opnieuw bedacht. Het nieuwe ontwerp maakt gebruik van geavanceerde sensoren voor een gevoelige aanraking, waardoor robots objecten met meer gedetailleerde en delicate precisie kunnen hanteren.
Romeo en Gelpalm
GelPalm heeft een op gel gebaseerde, flexibele sensor ingebed in de handpalm, geïnspireerd op de zachte vervormbare aard van menselijke handen. De sensor maakt gebruik van een speciale kleurverlichtingstechnologie die rode, groene en blauwe LED's gebruikt om een object te verlichten, en een camera om reflecties vast te leggen. Dit mengsel genereert gedetailleerde 3D-oppervlaktemodellen voor nauwkeurige robotinteracties.
Maar een handpalm heeft geen zin zonder vingers. Het team ontwikkelde ook enkele robotkootjes, genaamd Romeo (Robotic Modular Endoskeleton Optical), met flexibele materialen en vergelijkbare detectietechnologie als de handpalm. De vingers hebben iets dat 'passive compliance' wordt genoemd; de robot kan zich op natuurlijke wijze aanpassen aan krachten zonder dat daar motoren of extra controle voor nodig zijn.
Dit helpt bij het grotere doel: het vergroten van het oppervlak dat in contact komt met objecten, zodat ze volledig kunnen worden omhuld. De vingerontwerpen zijn vervaardigd als enkele, monolithische structuren via 3D-printen en zijn economisch te produceren. Behalve een verbeterde behendigheid biedt GelPalm een veiligere interactie met objecten. Dit is vooral handig voor mogelijke toepassingen zoals samenwerking tussen mens en robot, protheses of robothanden met mensachtige detectie voor biomedische toepassingen.
Andere focus
Veel eerdere robotontwerpen waren doorgaans gericht op het verbeteren van de vingervaardigheid. De focus is nu verlegt naar een meer mensachtige, veelzijdige eindeffector die op een natuurlijkere manier met objecten interageert en een breder scala aan taken uitvoert.
De onderzoekers halen inspiratie uit menselijke handen, die stijve botten hebben omgeven door zacht, flexibel weefsel. Door stijve structuren te combineren met vervormbare, soepele materialen is hetzelfde adaptieve talent beter bereiken dan onze handen. Een groot voordeel is dat geen extra motoren of mechanismen nodig zijn om de vervorming van de handpalm te bewerkstelligen. Door de inherente flexibiliteit kan deze zich automatisch rond objecten aanpassen, net zoals onze menselijke handpalmen dat doen.
Testen
De onderzoekers hebben het handpalmontwerp getest. De onderzoekers vergeleken de tactiele detectieprestaties van twee verschillende verlichtingssystemen – blauwe LED’s versus witte LED’s – geïntegreerd in de Romeo-vingers. Beide leverden vergelijkbare hoogwaardige 3D-tactiele reconstructies op wanneer objecten in de geloppervlakken werden gedrukt.
Maar het cruciale experiment was, te onderzoeken hoe goed de verschillende handpalmconfiguraties objecten konden omhullen en stabiel vastgrijpen. Het team ging aan de slag door kunststof vormen te verven en ze tegen vier handpalmtypes te drukken: stijf, structureel flexibel, gel-compatibel en hun dubbele conforme ontwerp. Visueel, en door de contacten met het geverfde oppervlak te analyseren, was het duidelijk dat zowel structurele als materiële flexibiliteit in de handpalm aanzienlijk meer grip bood dan de andere.
Het bleek een uitdaging om voldoende sensorische technologie in de handpalm te integreren zonder deze te omvangrijk of te complex te maken. Het gebruik van op camera's gebaseerde tactiele sensoren introduceert problemen met de grootte en flexibiliteit. De huidige technologie maakt geen uitgebreide dekking mogelijk zonder compromissen in ontwerp en functionaliteit. Om dit aan te pakken, zou het mogelijk kunnen zijn om flexibelere materialen voor spiegels te ontwikkelen en de sensorintegratie te verbeteren om de functionaliteit te behouden, zonder de praktische bruikbaarheid in gevaar te brengen.
Vooruitzichten
De onderzoekers hopen dat ze op weg zijn naar meer geavanceerde robothanden die zachte en stijve elementen combineren met tactiele gevoeligheid. Idealiter zou dit binnen de komende vijf tot tien jaarmogelijk moeten zijn. Het is een complex vakgebied zonder duidelijke consensus over het beste handontwerp.
Bij het ontwikkelen van GelPalm en de Romeo-vingers hebben de onderzoekers zich gericht op modulariteit en overdraagbaarheid om een breed scala aan ontwerpen aan te moedigen. Door deze technologie goedkoop en eenvoudig te produceren te maken, kunnen meer mensen innoveren en ontdekken. De onderzoekers hopen dat het delen van deze kennis vooruitgang kan bewerkstelligen en anderen kan inspireren.
Foto: MIT