Технологическое поле микроробототехники быстро развивалось с последнего десятилетия, и его применение показало многообещающие результаты в ряде задач робототехники на микроуровне, таких как: контролируемое позиционирование, забор и доставка предметов, клеток и молекул, биопсия.
По соображениям ответственности, безопасности и общественного признания полезно предоставить оператору интуитивно понятные и эффективные средства для непосредственного управления этими микророботами. В этом случае оператор должен получить достаточно информации о контролируемом микророботе и дистанционном окружении. Тактильная обратная связь — это лишь часть этой информационной ярмарки. Ее преимущества обычно заключаются в повышении точности манипулирования и сокращении времени завершения, пиковых и средних усилий, приложенных к отдаленным районам.
В данной статье рассматриваются исследования по системам тактильной обратной связи для микроробототехники с классификацией по типу используемой техники тактильного зондирования.
Атомно-силовая микроскопия
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) — это сканирующая зондовая микроскопия высокого разрешения и с разрешением долей нанометра. Датчик AFM обычно имеет острый наконечник на свободно откидывающемся конце кантилевера, выступающем из держателя. Отклонение консолей, вызванное взаимодействием между наконечником и поверхностью, дает информацию о механических свойствах окружающей среды. Один из первых примеров тактильной микророботизированной системы, использующей сканирующий туннельный микроскоп в сочетании с 6-градусным (6-DoF) тактильным интерфейсом. Вертикальное перемещение концевого детектора тактильного устройства по вертикали воспроизводит один из наконечников микроскопа, так что пользователи могут почувствовать топологию окружающей среды. Несколько лет спустя, ученые представили телеуправляемую микромасштабную тактильную систему, состоящую из 1-DoF тактильного устройства и навесного наконечника АСМ. Рассмотрена проблема моделирования контактных сил на микроуровне и разработан масштабированный двусторонний контроллер телеопераций для надежной обратной связи по контактным силам. Используя тактильное устройство Phantom Premium, та же группа расширила эти результаты до сценариев 2-D и 3-D телемикроманипуляции.
- В те же годы был представлен телеуправляемый микроманипулятор с пьезоэлектрическим захватом и АСМ, работающим под оптическим микроскопом. Зарегистрированные силы предоставляются оператору через двухпалубное плоскостное тактильное устройство.
- Исследователи уделили больше внимания изучению подходящих методов измерения усилия для наноманипуляционной робототехники. Для измерения усилий захвата компания Tey использовала мостовидный датчик на основе пшеничного камня АСМ, а также тактильный интерфейс, позволяющий оператору чувствовать и контролировать эти силы.
- Позднее, другие исследователи описали тактильную систему для удаленного управления микрообъектами. Установка микроманипуляции состоит из АСМ манипулятора, интегрированного в сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). Телеоперационная система состоит из тактильного интерфейса и комнаты виртуальной реальности. Система обучения была апробирована в ходе эксперимента по телекооперации на основе подхода, основанного на отказе от сотрудничества между Парижем и Ольденбургом.
- Эта же группа представила телеуправляемую систему с тактильной обратной связью для 3-D манипуляций на базе АСМ. Он использует два независимых датчика AFM для совместного захвата и позиционирования микромасштабных объектов с известными уравнениями формы. Тактильная обратная связь основана на данных AFM в динамическом режиме. Он используется для предоставления информации об измеренных силах взаимодействия и помогает пользователю улучшить ловкость рук и избежать столкновений. АСМ вместе с тактильным интерфейсом и системой дополненной реальности были также использованы в работе других исследователей для микропозиционирования и зондирования.
- Позже, был описан манипулятор на базе АСМ. Он может быть соединен с модулем и обеспечивает тактильную обратную связь через интерфейс Phantom Desktop, который также отвечает за управление зондом микроманипулятора на основе кантилевера.
- Совсем недавно разработали пользовательский тактильный интерфейс, способный обеспечить силовую обратную связь о силах взаимодействия. Силы взаимодействия характеризуются оценкой сил, воспринимаемых наконечником кантилевера, с использованием принципов геометрической деформации. Микромасштабная телеоперация с тактильной обратной связью требует масштабирования порядка 104-107, в зависимости от области применения. Такая высокая прибыль приводит к торговле между стабильностью и прозрачностью.
- Исследователи рассмотрели вопросы стабильности в удаленных системах микроманипуляции с обратной связью по силе. Компания Tey реализовала пассивную схему позиционно-позиционной муфты, которая обеспечивает безусловную стабильность.
- Была представлена концепция масштабируемой виртуальной связи и определила взаимосвязь между производительностью, стабильностью и масштабируемыми коэффициентами скорости (или положения) и силы.
Визуальная чувствительность
- В 2001 году разработали трехмерную визуально-гаптическую (тактильную) систему микроманипуляции с телеуправлением. 6-DoF Phantom Premium тактильный интерфейс обеспечивает необходимую обратную связь и управляет позиционированием микроманипулятора в удаленной среде. Микроманипулятор оснащен захватом 2-DoF, а для определения положения используются несколько ПЗС-камер.
- Аналогичным образом, в 2012 году представили микророботизированную систему на основе видения, сочетающую в себе асинхронное представление адресных событий, кремниевую сетчатку и кадровую камеру. Временная точность асинхронной кремниевой сетчатки используется для обеспечения тактильной обратной связи при помощи тактильного устройства, а камера используется для определения объекта для манипулирования.
- Эта же группа также представила систему телеопераций с тактильной обратной связью для оптического пинцета (ОП), которая достигает высокой частоты. Он состоит из лазера ОП и тактильного интерфейса. Усилие теля оценивается с помощью модели подавления ловушек, которая измеряет относительное положение объекта по отношению к лазерному пятну. Человеческий оператор управляет системой ОП с помощью главного тактильного интерфейса, и силы новостей, обнаруженные системой технического зрения, передаются оператору через то же самое тактильное устройство. Исследователи недавно распространили этот подход на мультититрапный ОП.
- В 2012 году разработали интерфейс тактильной виртуальной реальности для магнитно-оптической платформы микроманипуляции. Он состоит из магнитной не привязанной микророботической станции и интерфейса Phantom Omni (также тактильный). Разница между фактическим и заданным положением микроробота используется для обеспечения силовой обратной связи с оператором.
- Позднее те же авторы также рассмотрели проблему оценки сил в реальных условиях с использованием комбинации датчиков Холла и лазерных датчиков. Он использует полученную информацию о магнитном потоке и реальном положении микроробота для оценки сил, прилагаемых роботом к окружающей среде.
Совсем недавно представили тактильную систему телеопераций, которая позволяет оператору управлять позиционированием самоходных каталитических микророботов. Алгоритм отслеживания, основанный на отслеживании частиц, отслеживает во время работы положение агентов микроразмеров в удаленной среде. Омега-аптический интерфейс 6-DoF обеспечивает оператору тактильную обратную связь о том, как происходит взаимодействие между контролируемым микророботом и окружающей средой, а также позволяет контролировать конечное положение микроробота. Наконец, беспроводная магнитная система управления регулирует ориентацию микроробота для достижения конечной точки.
