31/05/2021
Door Ad Spijkers
Het onderscheiden van begraven voorwerpen in korrelig materiaal zoals zand is moeilijk. Om dat te doen, heeft een robot vingers nodig die slank genoeg zijn om door het zand te dringen, mobiel genoeg om los te wrikken als zandkorrels vastlopen, en gevoelig genoeg om de gedetailleerde vorm van het begraven object te voelen. De robotvinger van Massachusetts Institue of Technologie (MIT) gebruikt tactiele detectie om ondergrondse objecten te identificeren en kan in de toekomst helpen landmijnen te vinden of kabels te inspecteren.
Onderzoekers aan het MIT hebben een robotvinger met een scherpe punt ontworpen en voorzien van tactiele detectie om de uitdaging aan te gaan. In experimenten kon de Digger Finger (Graafvinger) door korrelige media zoals zand en rijst graven en voelde correct de vormen van ondergedompelde voorwerpen die hij tegenkwam. Volgens de onderzoekers kan de robot op een dag verschillende ondergrondse taken uitvoeren, zoals het vinden van begraven kabels of het onschadelijk maken van ingegraven bommen.
Probleemstelling
Zoeken naar objecten in korrelig materiaal - zand, grind en andere soorten los verpakte deeltjes - is geen nieuwe onderzoeksveld. Eerder hebben onderzoekers technologieën gebruikt die het ondergrondse van bovenaf waarnemen, zoals bodem penetrerende radar of ultrasone trillingen. Maar deze technieken geven slechts een wazig beeld van ondergedompelde objecten. Ze kunnen bijvoorbeeld moeite hebben om steen van bot te onderscheiden.
Het idee ontstond om een vinger te maken die een goed tastgevoel heeft en onderscheid kan maken tussen de verschillende dingen die hij voelt. Dat zou handig zijn als ingegraven bommen te vinden en uit te schakelen. Om dat idee te realiseren, moest een aantal hindernissen worden genomen.
Tactiele sensor
De eerste uitdaging van het team was een kwestie van vorm: de robotvinger moest slank en spits zijn. In eerder werk hadden de onderzoekers een tactiele sensor genaamd GelSight gebruikt. De sensor bestond uit een heldere gel bedekt met een reflecterend membraan dat vervormde wanneer er voorwerpen tegenaan drukten.
Achter het membraan zaten drie kleuren LED-lampjes en een camera. De lichten schenen door de gel en op het membraan, terwijl de camera het reflectiepatroon van het membraan registreerde. Computer vision algoritmen extraheerden vervolgens de 3D-vorm van het contactgebied waar de zachte vinger het object raakte. Het apparaat gaf een uitstekend gevoel van kunstmatige aanraking, maar het was onhandig omvangrijk.
Voor de Digger Finger hebben de onderzoekers hun GelSight-sensor op twee manieren afgeslankt. Eerst veranderden ze de vorm in een slanke cilinder met een afgeschuinde punt. Vervolgens hebben ze tweederde van de LED-verlichting vervangen door een combinatie van blauwe LED's en gekleurde fluorescerende verf. Dat scheelde veel complexiteit en ruimte. Het eindproduct is een apparaat waarvan het tactiele detectiemembraan ongeveer 2 cm2 groot is, vergelijkbaar met de top van een vinger.
Beweging
Nadat de grootte was uitgezocht, richtten de onderzoekers hun aandacht op beweging, plaatsten ze de vinger op een robotarm en groeven ze door fijnkorrelig zand en grofkorrelige rijst. Granulaire media hebben de neiging vast te lopen wanneer talrijke deeltjes op hun plaats worden vastgezet. Dat maakt het moeilijk om door te dringen.
Daarom voegde het team trillingen toe aan de mogelijkheden van de Digger Finger en onderwierp het aan een reeks tests. Ze wilden zien hoe mechanische trillingen helpen om dieper te graven en door opstoppingen te komen. Ze hebben de trilmotor op verschillende amplitudes en frequenties laten draaien. Snelle trillingen hielpen bij het 'vloeibaar maken' van de media, het overwinnen van obstakels en dieper te graven. Dit fluïdiserende effect was overigens moeilijker te bereiken in zand dan in rijst.
Ze testten ook verschillende draaiende bewegingen in zowel rijst als zand. Soms kwamen korrels van elk type medium vast te zitten tussen het tactiele membraan van de Digger-Finger en het begraven object dat het probeerde te voelen. Toen dit met rijst gebeurde, waren de ingesloten korrels groot genoeg om de vorm van het object volledig te verdoezelen. De insluiting kan meestal kon worden verwijderd met een beetje robotachtig wiebelen. Ingesloten zand was moeilijker te verwijderen, hoewel de Graafvinger door de kleine korrels nog steeds de algemene contouren van het doelobject kon voelen.
Toekomst
De Digger Finger is onderdeel van een programma dat de domeinen uitbreidt waarin robotaanraking kan worden gebruikt. Mensen gebruiken hun vingers te midden van complexe omgevingen, of ze nu vissen naar een sleutel in een broekzak of een tumor voelen tijdens een operatie. Naarmate de wetenschap beter word in kunstmatige aanraking, willen de onderzoekers de technologie gebruiken in situaties waarin de robot wordt omringd door allerlei afleidende informatie. Ze willen onderscheid kunnen maken tussen de dingen die belangrijk zijn en de dingen die dat niet zijn.
De onderzoekers vermelden niet of de vinger een speld in een hooiberg kan vinden.
Foto: MIT