La mano robotica ruota gli oggetti utilizzando il tocco, non la vista

Ispirandosi al modo semplice in cui gli esseri umani maneggiano gli oggetti senza vederli, un team guidato da ingegneri dell'Università della California a San Diego ha sviluppato un nuovo approccio che consente a una mano robotica di ruotare gli oggetti esclusivamente attraverso il tatto, senza fare affidamento sulla vista.

Usando la loro tecnica, i ricercatori hanno costruito una mano robotica in grado di ruotare agevolmente un'ampia gamma di oggetti, da piccoli giocattoli, lattine e persino frutta e verdura, senza ammaccarli o schiacciarli. La mano robotica ha svolto questi compiti utilizzando solo le informazioni basate sul tatto.

Il lavoro potrebbe aiutare nello sviluppo di robot in grado di manipolare oggetti nell’oscurità.

Il team ha recentemente presentato il proprio lavoro alla conferenza Robotics: Science and Systems del 2023.

Per costruire il loro sistema, i ricercatori hanno collegato 16 sensori tattili al palmo e alle dita di una mano robotica a quattro dita. Ogni sensore costa circa 12 dollari e svolge una funzione semplice: rilevare se un oggetto lo sta toccando o meno.

Ciò che rende unico questo approccio è che si basa su molti sensori tattili a basso costo e a bassa risoluzione che utilizzano semplici segnali binari – tocco o non tocco – per eseguire la rotazione robotica della mano. Questi sensori sono distribuiti su un’ampia area della mano robotica.

Ciò contrasta con una varietà di altri approcci che si basano su alcuni sensori tattili ad alto costo e ad alta risoluzione fissati su una piccola area della mano robotica, principalmente sulla punta delle dita.

Ci sono diversi problemi con questi approcci, ha spiegato Xiaolong Wang, professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego, che ha condotto lo studio attuale. Innanzitutto, avere un numero limitato di sensori sulla mano robotica riduce al minimo la possibilità che entrino in contatto con l’oggetto. Ciò limita la capacità di rilevamento del sistema. In secondo luogo, i sensori tattili ad alta risoluzione che forniscono informazioni sulla struttura sono estremamente difficili da simulare, per non dire estremamente costosi. Ciò rende più difficile utilizzarli negli esperimenti nel mondo reale. Infine, molti di questi approcci si basano ancora sulla visione.

"Qui utilizziamo una soluzione molto semplice", ha detto Wang. “Abbiamo dimostrato che non abbiamo bisogno di dettagli sulla struttura di un oggetto per svolgere questo compito. Abbiamo solo bisogno di semplici segnali binari che indichino se i sensori hanno toccato o meno l’oggetto, e questi sono molto più facili da simulare e trasferire nel mondo reale”.

I ricercatori notano inoltre che avere un’ampia copertura di sensori tattili binari fornisce alla mano robotica informazioni sufficienti sulla struttura 3D e sull’orientamento dell’oggetto per ruotarlo con successo senza visione.

Per prima cosa hanno addestrato il loro sistema eseguendo simulazioni di una mano robotica virtuale che ruota una serie diversificata di oggetti, compresi quelli con forme irregolari. Il sistema valuta quali sensori della mano vengono toccati dall'oggetto in un dato momento durante la rotazione. Valuta anche le posizioni attuali delle articolazioni della mano, nonché le loro azioni precedenti. Usando queste informazioni, il sistema dice alla mano robotica quale articolazione deve andare e dove nel punto temporale successivo.

I ricercatori hanno poi testato il loro sistema sulla mano robotica reale con oggetti che il sistema non aveva ancora incontrato. La mano robotica è stata in grado di ruotare una varietà di oggetti senza bloccarsi o perdere la presa. Gli oggetti includevano un pomodoro, un peperone, una lattina di burro di arachidi e una papera di gomma giocattolo, che era l'oggetto più impegnativo per via della sua forma. Gli oggetti con forme più complesse impiegavano più tempo per ruotare. La mano robotica potrebbe anche ruotare gli oggetti attorno ad assi diversi.

Wang e il suo team stanno ora lavorando per estendere il loro approccio a compiti di manipolazione più complessi. Attualmente stanno sviluppando tecniche per consentire alle mani robotiche di afferrare, lanciare e destreggiarsi, ad esempio.

"La manipolazione manuale è un'abilità molto comune che noi esseri umani abbiamo, ma è molto complessa da padroneggiare per i robot", ha affermato Wang. “Se possiamo dare ai robot questa abilità, ciò aprirà la porta al tipo di compiti che possono svolgere”.

Titolo del contributo: “Ruotare senza vedere: verso la destrezza della mano attraverso il tatto”. I coautori includono Binghao Huang*, Yuzhe Qin, UC San Diego; e Zhao-Heng Yin* e Qifeng Chen, HKUST.