AnySkin: ติดตั้งเซ็นเซอร์สัมผัสให้หุ่นยนต์เพื่อเรียนรู้งานความแม่นยำสูง
(any-skin.github.io)- ในงานควบคุมหุ่นยนต์ การรับสัมผัสมีประโยชน์มาก แต่เซ็นเซอร์แบบเดิมติดตั้งได้ยากและนำกลับมาใช้ซ้ำได้ไม่ดี ขณะที่ AnySkin ช่วยลดปัญหานี้ด้วยเซ็นเซอร์แบบผิวหนังที่ติดตั้งและเปลี่ยนบนเอนด์เอฟเฟกเตอร์ได้ง่าย
- แยกส่วนอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการตรวจจับออกจากพื้นผิว ทำให้เปลี่ยนเฉพาะผิวที่เสียหายได้ และขั้นตอนการรวมเข้ากับระบบก็ง่ายระดับใส่เคสมือถือแล้วเสียบสายชาร์จ
- พื้นผิวที่ยืดหยุ่นซึ่งมีอนุภาคเหล็กแม่เหล็กจะสร้าง ความบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็ก เมื่อเกิดการสัมผัส โดยมีแมกนีโตมิเตอร์ 5 ตัววัด ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก แบบ 3 แกน
- นโยบาย Behavior Cloning ยังคงความสำเร็จในงาน Card Swiping, Plug Insertion และ USB Insertion ได้แม้หลังเปลี่ยนผิวใหม่ แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของ การทำให้ทั่วไปข้ามอินสแตนซ์ของเซ็นเซอร์
- โมเดล LSTM สำหรับตรวจจับการลื่นไถล ที่ฝึกด้วยข้อมูลจากวัตถุในชีวิตประจำวัน 30 ชิ้น สามารถทำนาย slip event ได้แม่นยำ 92% และมีการเปิดเผยทั้งงานวิจัย โค้ด ไฟล์ CAD และเครื่องมือออกแบบ
การออกแบบเซ็นเซอร์สัมผัสแบบ Plug-and-Play
- AnySkin คือเซ็นเซอร์ผิวหนังสำหรับการสัมผัสของหุ่นยนต์ โดยมุ่งให้ติดตั้งและใช้งานได้ง่ายขึ้นในสถานการณ์ที่การรับสัมผัสยังถูกใช้น้อยกว่าการมองเห็นหรือ proprioception
- ข้อจำกัดของเซ็นเซอร์สัมผัสแบบเดิมอยู่ที่การขาด ความเป็นสากล, ความสามารถในการเปลี่ยนทดแทน, และ การนำข้อมูลกลับมาใช้ซ้ำได้
- โดยอิงจากการออกแบบที่เรียบง่ายของ ReSkin จึงแยก ส่วนอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการตรวจจับ ออกจาก อินเทอร์เฟซการตรวจจับ
- สามารถเปลี่ยนเฉพาะพื้นผิวยืดหยุ่นที่เสียหายได้อย่างง่ายดาย
- ออกแบบให้เข้ากันได้กับเอนด์เอฟเฟกเตอร์ของหุ่นยนต์หลากหลายแบบ
- การสัมผัสถูกตรวจจับผ่านการเปลี่ยนรูปของสนามแม่เหล็กที่เกิดจาก อนุภาคเหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก ภายในพื้นผิวตรวจจับ
- ส่วนอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการตรวจจับประกอบด้วยแมกนีโตมิเตอร์ 5 ตัว และแต่ละเซ็นเซอร์วัด ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก ได้ 3 แกน
ประสิทธิภาพการเรียนรู้ที่คงอยู่แม้เปลี่ยนผิวใหม่
- AnySkin มุ่งให้ ความสามารถในการทำให้ทั่วไปข้ามอินสแตนซ์ โดยนำนโยบายการควบคุมที่ฝึกจากเซ็นเซอร์หนึ่งอินสแตนซ์ไปใช้กับอินสแตนซ์ผิวใหม่ตัวอื่นได้
- นโยบายที่เรียนรู้ด้วย Behavior Cloning ยังคงความสำเร็จใน 3 งานได้แม้หลังเปลี่ยนผิวใหม่
- Card Swiping
- Plug Insertion
- USB Insertion
- ในการตรวจจับการลื่นไถล โมเดล LSTM ที่ฝึกจากข้อมูลวัตถุในชีวิตประจำวัน 30 ชิ้น สามารถทำนาย slip event ได้แม่นยำ 92%
วิธีการผลิตและเอกสารที่เปิดเผย
- การผลิตทำโดยผสม Smooth-On DragonSkin 10 Slow กับอนุภาคแม่เหล็ก MQFP-15-7 25μm ใน อัตราส่วน 1:1:2 แล้วทำให้แข็งตัวในแม่พิมพ์ 2 ชิ้น
- skin ที่แข็งตัวแล้วจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กด้วย pulse magnetizer
- มีการเปิดเผยไฟล์ออกแบบปลาย gripper tip
- มีการให้เอกสารที่เกี่ยวข้องมาด้วย
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
เข้าใจว่าเป็นวิธีใส่ อนุภาคแม่เหล็ก ลงในยางซิลิโคนแล้วทำให้เป็นแม่เหล็ก จากนั้นใช้แมกนีโตมิเตอร์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่จุดอ้างอิงหลายจุด เพื่ออ่านการเสียรูปของยางและวิเคราะห์ “จุดกด” บนพื้นผิว
นวัตกรรมตรงนี้น่าจะอยู่ที่กระบวนการผลิตมีความสม่ำเสมอเพียงพอ จนอินเทอร์เฟซซิลิโคนแม่เหล็กแต่ละชิ้นสามารถใช้ได้เหมือน ชิ้นส่วนที่ถอดเปลี่ยนได้ โดยไม่ต้องปรับเทียบ “สัญญาณอินพุต” ใหม่เป็นเวลานาน
ให้ความรู้สึกเหมือนทำให้เซนเซอร์สัมผัสระดับสูงใกล้เคียงกับสกรูที่กลึงด้วยเครื่องจักรมากกว่าตะปูทำมือแบบสั่งทำเฉพาะ
ไม่ค่อยรู้เรื่องสาขานี้ แต่ประทับใจมากจริง ๆ
สงสัยว่าจะใช้คัดแยกขยะกับวัสดุรีไซเคิลได้ไหม และถ้ามีสิ่งแปลกปลอมติดหรือเสื่อมสภาพไปจะปรับเทียบใหม่ได้หรือเปล่า ซิลิโคนน่าจะทนต่อการเสื่อมสภาพได้ค่อนข้างดี
ยังสงสัยด้วยว่าจะทำงานล้างมะเขือเทศและเด็ดขั้วได้ไหม
อยากได้ แทร็กแพด ที่ทำจากสิ่งนี้เหมือนกัน สงสัยว่าจะให้ความละเอียดได้แค่ไหน และไม่อยากต้องเสียความละเอียดไปมากเพื่อแลกกับฟังก์ชันอย่างแรงกดหรือการเอียง
แต่ถ้าสัมผัสเหมือนถูนิ้วบนผิวหนัง ก็คงชวนขนลุกพอสมควร เลยไม่อยากให้แล็ปท็อปมีส่วนที่เหมือนก้อนเนื้อ
การคัดแยกขยะและรีไซเคิลมีหุ่นยนต์ไม่มากนัก และส่วนใหญ่ใช้คุณสมบัติของวัสดุของวัตถุ บางบริษัทเคยลองใส่หุ่นยนต์เดลตาเพื่อให้ได้ throughput สูงที่จำเป็นต่อการทำกำไร แต่ก็ยังไม่พอ เทศบาลหรือมหาวิทยาลัยที่มีงบมากอาจทำได้ แต่ยากจะให้เหตุผลทางการเงินรองรับ
เรื่องการปรับเทียบใหม่ ผมสงสัยว่านักพัฒนาจัดการกับปัญหาสนามแม่เหล็กอ่อนลงตามเวลาและสิ่งแปลกปลอมอย่างไร ซิลิโคนอาจเป็นเกรดที่ล้างทำความสะอาดได้ แต่เมื่อวัสดุนิ่มสัมผัสกับชิ้นส่วนต่อเนื่องในงาน throughput สูง มันจะสึกหรอ และลักษณะการหยิบจับก็จะเปลี่ยนไปด้วย
งานล้างมะเขือเทศและเด็ดขั้ว ต้องรอให้ต้นทุนหุ่นยนต์กับเอนด์เอฟเฟกเตอร์ลดลงและประสิทธิภาพสูงขึ้นอีกอย่างน้อยกว่า 10 ปี จึงจะเอาชนะการล้างจำนวนมากกับการเด็ดขั้วด้วยแรงงานคน หรือการใช้เครื่องจักรแบบหยาบ ๆ ได้ ดูเหมือนเป็นโปรเจกต์ของนักศึกษาบัณฑิตศึกษาสำหรับสมมติฐานหุ่นยนต์ใช้ในบ้านแห่งอนาคตมากกว่า
Lenovo TrackPoint มีโอกาสสูงที่จะให้สิ่งที่จำเป็นสำหรับแทร็กแพดอยู่แล้ว 95% และผมคิดว่าเซนเซอร์สัมผัสนี้คงไม่ได้มุ่งตลาดนั้น
จุดที่ดูมีประโยชน์คือเวอร์ชันเรียบง่ายที่ติดกับเอนด์เอฟเฟกเตอร์เดิมเพื่อให้ฟีดแบ็กแบบบูลีนว่า “ตรวจพบชิ้นส่วน” เท่านั้น, ใช้ตรวจว่าชิ้นส่วนขยับไปมากระหว่างถูกจับหรือไม่เพื่อสั่งหยุดหุ่นยนต์, การหยิบจับอาหารที่ต้องใช้การผสมแรงกดหลายรูปแบบ, งานจัดแนวที่ตรวจตำแหน่งด้วยข้อต่ออย่างเดียวได้ยากเพราะเอนด์เอฟเฟกเตอร์ยาว, และ การจัดการผ้า ผ้าเป็นปัญหาที่ยากสำหรับหุ่นยนต์ ดังนั้นข้อมูลเกี่ยวกับ “ชิ้นส่วน” ที่เพิ่มขึ้นจะช่วยได้ และอาจลดอุปสรรคสำคัญในการเปิดทางสู่ระบบอัตโนมัติการผลิตรองเท้าในราคาที่สมเหตุสมผล
แก่นสำคัญน่าจะเป็น ชิปแมกนีโตมิเตอร์ 3 แกน[1] คุณภาพดีที่จัดเป็นอาร์เรย์
อนุภาคแม่เหล็กที่ฝังอยู่ในสกินซึ่งถอดเปลี่ยนได้จะถูกจัดแนวขนานกันในขั้นตอนการทำให้เป็นแม่เหล็กระหว่างการผลิต เป็นการผสมผสานองค์ประกอบหลายอย่างที่น่าสนใจ ซึ่งอยู่ใกล้ระดับล้ำสมัยแต่ยังใช้ได้แม้ในเวิร์กช็อปที่บ้าน
[1] https://www.digikey.com/en/products/detail/melexis-technolog...
ReSkin: versatile, replaceable, lasting tactile skins
https://arxiv.org/abs/2111.00071
ดูมีประโยชน์มากสำหรับ เครื่องดนตรีอิเล็กทรอนิกส์ เช่น Linnstrument(https://www.rogerlinndesign.com/linnstrument) ที่ใช้กริดของแถบ force-sensing resistor
สงสัยว่าเมื่อนำเซนเซอร์แบบนี้มาวางเรียงกันจะรบกวนกันเองหรือไม่
เรื่องต้นทุนก็น่ากังวล แต่เครื่องดนตรีเดิม ๆ ก็ไม่ได้ถูกนักอยู่แล้ว
รุ่นใหญ่ทั้งหมดค่อนข้างแพง เลยสงสัยว่าเทคโนโลยีใหม่นี้จะเป็นวิธีทำให้ผลิตภัณฑ์แบบนี้ถูกลงได้ไหม
ถ้าเป็นเครื่องดนตรีที่มี tactile feedback มากกว่า เช่น hand drum หรือไวโอลิน อาจน่าสนใจ แต่พื้นผิวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์แบบนั้นมีอยู่ก็เพราะผู้เล่นมนุษย์ไม่ใช่หุ่นยนต์อยู่แล้ว
ในงานอย่างการเสียบ USB ผมสงสัยว่าหุ่นยนต์ตรวจจับ การเปลี่ยนแปลงของมุม ตอนที่มันจัดให้ตรงกับรู หรือความต่างของแรงกดระหว่าง “นิ้ว” สองข้างหรือเปล่า
อยากรู้ว่ามันให้ความรู้สึกเหมือนหุ่นยนต์ “คลำ” เพื่อจัดแนวปลั๊ก USB ให้ตรงหรือไม่
อีกอย่างก็สงสัยว่าวัสดุสกินพื้นฐานเป็นซิลิโคนขึ้นรูป หรืออาจเป็น TPU ที่พิมพ์ 3D ได้หรือเปล่า
https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-10-slow/
ดังนั้นคงพิมพ์ 3D โดยตรงได้ยาก แต่คิดว่า แม่พิมพ์ น่าจะพิมพ์ 3D ได้
ดีมาก และดูเหมือนผลิตง่ายกว่าเซ็นเซอร์ Takktile รุ่นเก่า https://biorobotics.harvard.edu/takktile.html มาก
ถ้ามีชั้นที่แข็งแรงพอระหว่างชิปกับสกิน ก็ดูเหมือนจะสามารถออกแรงระดับทำลายสกินได้โดยไม่ทำให้แผงวงจรเสียหายเลย ส่วน Takktile มีโครงสร้างที่อีพ็อกซีสัมผัสกับเซ็นเซอร์แรงดันโดยตรง ดังนั้นแม้จะคลุมด้วยชั้นป้องกันได้ แต่ความไวก็ต้องลดลงอย่างเลี่ยงไม่ได้
ผมยังสงสัยด้วยว่าส่วนการเรียนรู้นโยบายเป็นอิสระจากเทคโนโลยีมากแค่ไหน สงสัยว่าโมเดลจะพึ่งพาเวกเตอร์ทิศทางที่บอร์ดให้มา แทนที่จะเป็นตำแหน่งสัมผัสหรือไม่ ไม่ได้หมายความว่านั่นเป็นปัญหาในตัวเอง แต่อยากรู้ว่าความมีทิศทางช่วย “แยก” การเปลี่ยนแปลงบางอย่างออกมาและทำให้ กระบวนการเรียนรู้ ง่ายขึ้นหรือเปล่า
อย่างไรก็ตาม เพราะใช้ดีปเลิร์นนิง จึงตีความได้ยากว่านโยบายพึ่งพาปริมาณใดกันแน่ ในเชิงศักยภาพอาจไม่ขึ้นกับรูปแบบสัญญาณก็ได้ แต่จนถึงตอนนี้ยังไม่มีเซ็นเซอร์ที่ (1) ตรวจจับปริมาณที่สัมพันธ์กันอย่างเข้าใจง่าย เช่น ตำแหน่งสัมผัสและแรง 3 แกน และ (2) แสดงความสม่ำเสมอของสัญญาณมากพอให้โมเดลดีปเลิร์นนิงทั่วไปข้ามชิ้นงานได้
นี่คือแรงจูงใจหลักของ AnySkin และพวกเขาพบขั้นตอนการผลิตที่ค่อนข้างเรียบง่ายซึ่งทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยวิธีตรวจจับแบบแม่เหล็ก
เคยทำวิจัยด้านการสัมผัสของหุ่นยนต์มาบ้าง สนุกมากจริง ๆ
เราใช้เซ็นเซอร์ “biotac” และประสิทธิภาพดีมาก แต่ 1) แพงมาก และ 2) การเปลี่ยนสกิน ที่สึกหรอนั้นยากมาก
ข้อดีอย่างหนึ่งของ biotac เมื่อเทียบกับวิธีนี้คือ ถ้าส่งเช็คก้อนใหญ่ไปก็ซื้อได้จริง ของที่เริ่มจากแวดวงวิชาการแบบนี้มักหาไม่ได้ ไม่ว่าราคาจะเท่าไร ดูเจ๋งดี และอยากได้มาสักสองสามอัน
น่าจะพิมพ์ TPU แบบ 3D แล้วใส่แม่เหล็กคุณภาพสูงเข้าไป การทำให้เป็นแม่เหล็กซ้ำเองก็น่าจะทำได้ค่อนข้างง่ายเหมือนกัน แต่อาจไม่ถูก https://www.magnet-physik.de/en/magnetizing-technology/magne...
บอร์ดด้านล่างผมเดาว่าเป็นแค่กริดของผลิตภัณฑ์พวกนี้ https://www.adafruit.com/product/4022
ชอบกราฟิก “Fabrication process” มาก คงทำให้ง่ายไปกว่านี้ยากแล้ว
การประยุกต์ใช้คือเซ็นเซอร์สัมผัส แต่ความก้าวหน้าจริง ๆ ดูเหมือนอยู่ที่การใส่ อนุภาคแม่เหล็กที่มีทิศทางขนานกัน ลงในตัวกลางที่ยืดหยุ่น
มีคำถามหลายอย่างผุดขึ้นมาทันที บริษัทที่ทำ Magnequench ย่อมรู้อยู่แล้วว่าสามารถใส่อนุภาคแม่เหล็กลงในวัสดุอื่นได้ แล้วการใช้งานที่พบบ่อยที่สุดของอนุภาคแบบนี้คืออะไร? สงสัยว่าปกติใส่ไว้ในตัวกลางของแข็งที่ไม่ยืดหยุ่นและคงรูป หรือใส่ในของเหลวกันแน่
ยังสงสัยด้วยว่าจำเป็นต้องใช้ Dragon Skin หรือไม่ แนวคิดการผสมอนุภาคแม่เหล็กลงในตัวกลางกึ่งของแข็งนั้นน่าสนใจ ถ้าเป็นการใส่อนุภาคลงในเจลโลหรือ Silly Putty ก็สงสัยว่าจะใช้สนามแม่เหล็กภายนอกเพื่อทำให้ตัวกลางที่มีอนุภาคอยู่เสียรูปหรือขึ้นรูปได้หรือไม่
พอเห็นวลีอย่าง “นโยบายภาพ-สัมผัสที่เรียนรู้มาเพื่อทำงานความแม่นยำสูง เช่น การเสียบ USB หรือการรูดบัตรเครดิต…” และ “ฐานขนาดใหญ่…” ก็รู้สึกเหมือนนี่จะช่วยให้หุ่นยนต์ใช้ลูกบิดหรือที่จับประตู แล้ว เปิดประตูได้จริง ๆ น่าตื่นเต้น
เท่าที่รู้ เรื่องนี้ยังไม่เคยมีการแสดงให้เห็นมาก่อน และเป็นผลลัพธ์ที่เปิดทางสู่การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์นี้ในสเกลใหญ่ที่น่าสนใจ