Без тысяч уязвимых проводников гибридную тактильную кожу для андроидов на базе электротомографии и пневматики представили инженеры RoboSkin

Источник: Robotics & Automation News

Результаты успешной разработки инновационной гибридной тактильной кожи для крупногабаритных поверхностей антропоморфных роботов опубликовала международная исследовательская группа RoboSkin в отчетах специализированных изданий Robotics & Automation News и Robotics Tomorrow. Архитектура объединяет метод электроимпедансной томографии (Electrical Impedance Tomography, EIT) для точной пространственной локализации касаний и блок герметичных пневматических подушек для прямого замера приложенного механического усилия.

Ключевым технологическим вызовом при создании сплошных сенсорных покрытий для андроидов долгое время оставалась высокая неравномерность отклика томографических матриц: при смещении точки нажима от периферии к центру эластичной проводящей мембраны расчетные показатели силы сжатия существенно искажались из-за нелинейности сопротивления.

Инженерная группа RoboSkin решила проблему путем функционального разделения обязанностей между двумя взаимодополняющими физическими принципами. Верхний электропроводящий эластомерный слой на основе силиконовой матрицы с углеродными нанотрубками выполняет функцию непрерывного координатного экрана: шестнадцать миниатюрных электродов по периметру полотна регистрируют перепады проводимости и реконструируют двухмерную карту касаний на частоте сто герц с применением регуляризованного алгоритма Тихонова. Предварительно рассчитанные матрицы Якоби позволяют проводить обратную реконструкцию на встроенном энергоэффективном процессоре за считанные миллисекунды.

Под томографической мембраной размещены четыре независимые герметичные пневмокамеры, индивидуально откалиброванные по эталонным динамометрическим датчикам. Встроенные микроэлектромеханические барометрические сенсоры MEMS в штуцерах коллектора фиксируют малейшие изменения давления сжатого воздуха внутри замкнутого объема. Полученный стабильный сигнал совокупной нагрузки используется для динамического масштабирования и корректировки томографического изображения на лету.

В ходе серии натурных тестов с вдавливанием индентора коэффициент вариации пространственной неравномерности чувствительности снизился в два целых и две десятых раза — со значения 0,31 при раздельном использовании EIT до 0,14 в гибридном режиме.

Эксперименты с одновременным нажатием в нескольких точках одной пневматической подушки подтвердили способность системы точно отслеживать суммарную нагрузку, сохраняя координаты каждого отдельного контакта. Дифференциальная схема термокомпенсации исключает дрейф нулевой точки при нагреве сервоприводов робота.

Динамический диапазон обнаружения охватывает усилия от одной десятой Ньютона при легком касании одежды до ста пятидесяти Ньютонов при жестком упоре или переноске тяжелых коробок. Внешнее гидрофобное фторполимерное напыление защищает эластомер от грязи, пыли и влаги.

Модульная топология позволяет стыковать отдельные сенсорные панели через гибкие шлейфы FPC по краям сегментов без слепых зон. Прямой вывод данных в низкоуровневый контроллер баланса Whole-Body Control гарантирует мгновенную податливость суставов при контакте. Толщина многослойного сэндвича составляет всего четыре миллиметра при удельной массе менее трехсот граммов на квадратный метр.

Полнофункциональная совместимость с открытым протоколом ROS 2 обеспечивает быструю трансляцию тактильной телеметрии в специализированные среды NVIDIA Omniverse и симуляционные комплексы Gazebo для непрерывного обучения дифференцируемых политик физического взаимодействия.

Конструкция полностью свободна от сложной сетки внутренних проводов и хрупких кремниевых чипов под гибкой поверхностью, что гарантирует высокую устойчивость к механическим ударам, растяжениям и изгибам на подвижных суставах роботов.

Исследователи подчеркивают, что гибридная сенсорная кожа легко масштабируется на изогнутые поверхности сложной геометрии — от предплечий и грудного щита до спины и бедер андроидов, открывая путь к созданию безопасных роботов-помощников для тесного физического контакта с людьми в быту и на производстве.