Изображение: Adobe Stock/shurkin_son
Искусственные руки, даже самые сложные протезы, все же намного уступают человеческим рукам. Чего им не хватает, так это тактильных способностей, имеющих решающее значение для ловкости. Другие проблемы включают в себя связь датчиков с действиями внутри роботизированной системы и эффективную связь ее с пользователем-человеком. Профессор доктор Филипп Бекерле из FAU присоединился к международным коллегам, чтобы обобщить последние результаты в этой области робототехники и определить программу будущих исследований. Их статья в исследовательском журнале Научная робототехника предлагает структуру сенсомоторного управления для роботизированных рук с тактильной связью, вдохновленную принципами центральной нервной системы человека. Их цель состоит в том, чтобы связать тактильное восприятие с движением искусственных рук, ориентированных на человека. По мнению европейской и американской группы исследователей, этот подход обещает улучшить ловкость людей, управляющих роботизированными руками.
Тактильные ощущения должны играть большую роль
«Ловкость рук человека в значительной степени зависит от осязания», — объясняет профессор доктор Филипп Бекерле, заведующий кафедрой автономных систем и мехатроники (ASM) FAU. «Людям с неповрежденной моторной функцией, но лишенными чувствительности кончиками пальцев, может быть очень трудно хватать предметы или манипулировать ими». Это, по его словам, указывает на то, что тактильное восприятие необходимо для человеческой ловкости. «Биоинспирированный дизайн предполагает, что уроки тактильных ощущений человека могут улучшить ограниченную в настоящее время ловкость искусственных рук. Но роботизированные и искусственные руки мало используют множество доступных в настоящее время тактильных датчиков и, следовательно, гораздо менее ловкие».
Бекерле, инженер по мехатронике, только что получил статью «Иерархическая структура сенсомоторного управления роботизированными руками «человек в контуре»» опубликовано в научном журнале Научная робототехника. В нем он вместе с международными коллегами рассказывает о том, как передовые технологии теперь обеспечивают не только мехатронные и вычислительные компоненты для антропоморфных конечностей, но и сенсорные. Поэтому ученые предполагают, что такие недавно разработанные технологии тактильного восприятия могут быть включены в общую концепцию «электронных оболочек». «Они включают в себя плотные массивы тактильных элементов, воспринимающих нормальную силу, в отличие от кончиков пальцев с более полным восприятием силы», — говорится в документе. «Это обеспечит карту направленного распределения силы по всей чувствительной поверхности и сложную трехмерную архитектуру, имитирующую механические свойства и мультимодальное восприятие кончиков пальцев человека». Таким образом, системы тактильного восприятия, установленные на мехатронных конечностях, могут предоставить роботизированным системам сложные представления, необходимые для характеристики, идентификации и манипулирования, например, объектами.
Человеческие принципы как источник вдохновения для будущих проектов
Чтобы создать тактильно информированные и ловкие машины, исследователи, во-вторых, предлагают черпать вдохновение из принципов иерархически организованной центральной нервной системы человека (ЦНС). ЦНС контролирует, какие сигналы мозг получает от тактильных ощущений и отправляет обратно в тело. Авторы предлагают концептуальную основу, в которой биоинспирированный сенсорный робот разделяет управление с человеком — в той степени, в какой устанавливает человек. Принципы структуры включают параллельную обработку задач, интеграцию управления прямой и обратной связью, а также динамический баланс между подсознательной и сознательной обработкой. Их можно было бы применять не только при разработке бионических конечностей, но и виртуальных аватаров или дистанционно управляемых телероботов.
Однако остается еще одной проблемой эффективное взаимодействие пользователя-человека с роботизированными руками с сенсорным управлением. «Усовершенствование тактильных роботов с помощью тактильного восприятия высокой плотности может существенно улучшить их возможности, но поднимает вопросы о том, как лучше всего передавать эти сигналы человеку-контроллеру, как ориентироваться в совместном восприятии и действиях в человеко-машинных системах», — говорится в документе. Остается в значительной степени неясным, как управлять агентством и назначением задач, чтобы максимизировать полезность и удобство для пользователей в системах с участием человека. «Особенно сложно, как использовать разнообразные и обильные тактильные данные, генерируемые тактильными устройствами. Тем не менее, человеческие принципы вдохновляют на будущий дизайн мехатронных систем, которые могут функционировать как люди, вместе с людьми и даже в качестве запасных частей для людей».
Кафедра Филиппа Бекерле входит в состав факультетов электротехники, электроники и информационных технологий FAU, а также факультета искусственного интеллекта в биомедицинской инженерии. «Наша миссия в ASM — исследовать ориентированную на человека мехатронику и робототехнику и стремиться к решениям, которые сочетают в себе желаемую производительность с удобными свойствами взаимодействия», — объясняет Бекерле. «Наше внимание сосредоточено на носимых системах, таких как протезы или экзоскелеты, когнитивных системах, таких как коллаборативные или человекоподобные роботы, и в целом на задачах с тесным взаимодействием человека и робота. Человеческий фактор имеет решающее значение в таких сценариях для удовлетворения потребностей пользователя и достижения синергетического интерфейса, а также взаимодействия между людьми и машинами».
Помимо профессора доктора Бекерле, в подготовке статьи принимали участие ученые из университетов Генуи, Пизы и Рима, Ольборга, Бангора и Питтсбурга, а также Имперского колледжа Лондона и Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе.
Университет Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге