A Fingertip Sensor and Algorithms for Pre-touch Distance Ranging and Material Detection in Robotic Grasping

要約

ロボットの把持能力を強化するために、近接距離を測定し、同時に材料の種類と内部構造を検出する新しい非接触指先センサーの開発を行っています。
これらのセンサーは、プレタッチ デュアルモーダルおよびデュアル メカニズム (PDM$^2$) センサーと呼ばれ、パルス エコー超音波 (US) と光音響 (OA) モダリティの両方を使用して動作します。
パルスレーザービームと、測距とセンシングに広い音響帯域幅を備えたカスタマイズされた超音波トランシーバーを利用するPDM$^2$センサーの設計を紹介します。
US 信号と OA 信号は両方とも、同じレーザー パルスによってトリガーされて同時に収集されます。
私たちの設計を検証するために、PDM$^2$ センサーのプロトタイプを製作し、それを物体スキャン システムに統合しました。
また、飛行時間型 (ToF) 自動推定、測距補正、センサーとシステムの校正、距離測距、材料/構造の検出、物体の輪郭の検出と再構成など、センサーを有効にするアルゴリズムも開発しました。
実験結果は、新しい PDM$^2$ センサーとそのアルゴリズムにより、物体スキャン システムが満足のいく材料/構造検出機能とともに、満足のいく測距性能と輪郭再構成性能を効果的に達成できることを示しています。
結論として、PDM$^2$ センサーは、高度な認識機能を提供することで、ロボット グリッパーによる未知の物体の把握を向上させる実用的で強力なソリューションを提供します。

要約(オリジナル)

To enhance robotic grasping capabilities, we are developing new contactless fingertip sensors to measure distance in close proximity and simultaneously detect the type of material and the interior structure. These sensors are referred to as pre-touch dual-modal and dual-mechanism (PDM$^2$) sensors, and they operate using both pulse-echo ultrasound (US) and optoacoustic (OA) modalities. We present the design of a PDM$^2$ sensor that utilizes a pulsed laser beam and a customized ultrasound transceiver with a wide acoustic bandwidth for ranging and sensing. Both US and OA signals are collected simultaneously, triggered by the same laser pulse. To validate our design, we have fabricated a prototype of the PDM$^2$ sensor and integrated it into an object scanning system. We have also developed algorithms to enable the sensor, including time-of-flight (ToF) auto estimation, ranging rectification, sensor and system calibration, distance ranging, material/structure detection, and object contour detection and reconstruction. The experimental results demonstrate that the new PDM$^2$ sensor and its algorithms effectively enable the object scanning system to achieve satisfactory ranging and contour reconstruction performances, along with satisfying material/structure detection capabilities. In conclusion, the PDM$^2$ sensor offers a practical and powerful solution to improve grasping of unknown objects with the robotic gripper by providing advanced perception capabilities.

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