Utafiti huu unawasilisha mbinu inayotegemea fizikia iitwayo BEM-Tactile ili mifumo ya roboti iweze kutambua nguvu, muundo wa uso, uhamisho na halijoto kupitia sensa moja inapogusana na kitu. Watafiti walijenga upya nguvu za mguso kwa kutumia Mbinu ya Vipengele vya Mpaka (Boundary Element Method, BEM) kutokana na mwendo wa pande tatu wa alama zilizo kwenye uso wa elastoma wa sensa ya kuona-na-kugusa. Badala ya kugawanya ujazo mzima wa sensa katika vipengele vya wavu kama ilivyo katika mbinu ya vipengele vyenye ukomo, mbinu hii hutumia mipaka ya uso pekee. Kwa njia hii, bila kulazimika kukadiria uhamisho usioweza kupimwa ndani ya ujazo, mienendo ya uso inayofuatiliwa na kamera hubadilishwa moja kwa moja kuwa uga wa nguvu wa pande tatu.

Utafiti ulifanywa kwa kubadilisha tu kifuniko cha kuhisi cha sensa ya kibiashara ya GelSight mini. Alama za kawaida za 0,8 mm zilipunguzwa hadi 0,5 mm, wino wa thermochromic unaobadilisha rangi kulingana na halijoto ukatumika, na nyenzo ya sensa ikabadilishwa kuwa Ecoflex 00-45. Kituo chekundu cha picha kilitumika kukokotoa mabadiliko ya halijoto, kituo cha kijani kufuatilia mwendo wa alama, na vituo vyote vya RGB kukokotoa muundo wa uso. Wavu wa BEM ulikuwa na vipengele 440 vya uso na nodi 442; nodi 63 kati ya hizo ziliendana na alama zilizofuatiliwa na kamera. Makosa ya uhamisho katika mielekeo ya x, y na z yaliripotiwa kuwa 0,10 mm, 0,07 mm na 0,20 mm mtawalia. Makosa ya nguvu ya mkato yalikuwa 0,240 N kwa F_x na 0,202 N kwa F_y; kosa la nguvu ya kawaida katika masafa ya 0–7 N lilikuwa 0,66 N.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Mbinu hii ina uwezo wa kutafitiwa nchini Uturuki katika vishikio vya roboti, ushirikiano wa binadamu na roboti, mifumo ya ulinzi na anga, roboti za kitabibu, viungo bandia, uunganishaji wa usahihi, usindikaji wa chakula na uchanganuzi wa nyuso za nguo. Hasa, kupima kwa pamoja nguvu, utelezi, halijoto na muundo wa uso kwa sensa moja ya macho kunaweza kutumika katika tafiti za kushika kwa usalama vitu vyenye maumbo yanayobadilika au vitu vya moto kwa kutumia roboti. Kabla ya matumizi nchini Uturuki, sensa inahitaji kusawazishwa upya kwa elastoma na wino zinazoweza kuzalishwa nchini, kujaribiwa katika hali tofauti za mwanga, kupimwa uimara wake dhidi ya uchafuzi wa viwandani na uchakavu, na kuthibitishwa ucheleweshaji wake wa wakati halisi katika kazi mahususi za roboti. Utafiti huu hautoi bidhaa iliyo tayari kutumika moja kwa moja katika viwanda vya Uturuki, cheti cha usalama, uchanganuzi wa gharama au utendaji wa uzalishaji kwa wingi.

Matokeo muhimu zaidi ya utafiti ni kwamba usambazaji wa nguvu wa pande tatu unaweza kukokotolewa si tu kama nguvu jumla, bali pia kama uga wa vekta unaowakilisha sehemu 63 tofauti kwenye uso wa sensa. Hata hivyo, usahihi wa mfumo huathiriwa na mambo kama halijoto, usambazaji wa mwanga, kina cha mguso na kufunikwa kwa muundo wa uso na alama. Hasa katika 50 °C, mabadiliko ya rangi ya thermochromic yalisababisha kina na nguvu zilizokokotolewa kuongezeka kwa njia bandia kadiri muda ulivyopita. Kwa hiyo, ilionyeshwa kuwa mfumo unahitaji usawazishaji wa papo hapo au mbinu za kukokotoa kina zisizotegemea rangi kwa ajili ya kipimo cha kiasi cha nguvu katika mazingira yenye halijoto inayobadilika.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Hisia ya kugusa ya binadamu inaweza kuunganisha kwa wakati mmoja taarifa nyingi kama shinikizo, msuguano, umbo la uso, mwendo na halijoto. Katika sensa za kugusa za roboti, hata hivyo, ni vigumu kupima ukubwa huu kwa wakati mmoja kwa kifaa kilekile. Sensa za kuona-na-kugusa hutegemea kupiga picha kwa kamera uso wa elastoma unaoweza kuharibika ambao ni wazi au nusu wazi. Kamera hufuata mwendo wa alama kwenye uso na picha ya eneo la mguso ili kutoa taarifa ya umbo na uhamisho.

Ingawa sensa hizi hufanya vizuri katika kuonyesha jiometri na muundo wa uso, kubadilisha uhamisho uliopimwa kwenye uso kuwa usambazaji wa nguvu za kimwili ni tatizo tofauti la kinyume. Mbinu zinazotegemea ujifunzaji wa mashine zinaweza kuhitaji data ya nguvu iliyowekewa lebo na zinaweza kuwa na uwezo mdogo wa kujumuisha katika miguso iliyo nje ya masafa ya mafunzo. Ulinganishaji rahisi wa polinomi nao hauwakilishi moja kwa moja usawa wa kimwili ndani ya elastoma.

Swali kuu la utafiti ni kama inawezekana kupata uga wa nguvu wa pande tatu wenye msingi wa kimwili, mzigo mdogo wa ukokotoaji na unaoweza kutumika kwa wakati halisi kutokana na mienendo ya pande tatu iliyopimwa ya alama kwenye uso. Swali la pili ni jinsi ya kupunguza mwingiliano wa alama za macho zinazohitajika kwa ukokotoaji wa nguvu na vipimo vya halijoto na muundo wa uso.

Tofauti kati ya BEM-Tactile na sensa ya BEMT ni ipi?

BEM-Tactile ni mbinu ya jumla inayokokotoa nguvu za mguso kutokana na uhamisho wa uso. Sensa ya BEMT ni jina ambalo watafiti waliipa sensa ya kibiashara ya GelSight mini yenye kifuniko cha kuhisi kilichobadilishwa ili kuthibitisha mbinu hii.

Utafiti haukutengeneza kamera mpya kabisa au kisanduku kipya cha macho. Kisanduku cha kupiga picha, kamera na usanifu wa mwanga wa sensa ya kibiashara vilihifadhiwa; kifuniko cha kuhisi cha elastoma pekee ndicho kilibadilishwa. Watafiti wanaeleza kuwa lengo la uchaguzi huu lilikuwa kuonyesha uwezekano wa kutumia ukokotoaji wa nguvu unaotegemea BEM kwenye jukwaa la vifaa lililopo, badala ya kutengeneza bidhaa mpya ya sensa.

Kwa nini Mbinu ya Vipengele vya Mpaka ilitumika?

Mbinu ya Vipengele Vyenye Ukomo (Finite Element Method, FEM) inaweza kukokotoa mikazo na uhamisho kwa kugawanya ujazo mzima wa elastoma katika vipengele vidogo vya pande tatu. Hata hivyo, sensa ya kuona-na-kugusa hupima tu mwendo wa alama kwenye uso wa nje. Kwa sababu uhamisho ndani ya elastoma hauwezi kuonekana kwa kamera, matumizi ya FEM yanahitaji hali za ndani ya ujazo zikadiriwe kando au kujazwa kwa thamani za kati.

BEM, kwa upande mwingine, hugawanya tatizo la kimwili katika vipengele kwenye mpaka wa mwili pekee. Katika utafiti, nyuso za juu, chini na pembeni za sensa ziligawanywa kuwa vipengele vya uso; hakuna nodi zilizoundwa ndani ya ujazo. Kwa kuwa kipimo tayari kinafanyika kwenye uso, mbinu hii inaendana moja kwa moja na muundo wa data wa sensa ya kuona-na-kugusa.

Vekta za uhamisho wa pande tatu na mvutano wa uso wa kila nodi zinafafanuliwa kama ifuatavyo:

\[ \mathbf{u}_i = \begin{bmatrix} u_x^{(i)} \\ u_y^{(i)} \\ u_z^{(i)} \end{bmatrix}, \qquad \mathbf{t}_i = \begin{bmatrix} t_x^{(i)} \\ t_y^{(i)} \\ t_z^{(i)} \end{bmatrix} \]

Hapa \(\mathbf{u}_i\) inaonyesha uhamisho wa nodi namba i katika mielekeo ya x, y na z; \(\mathbf{t}_i\) inaonyesha vekta ya mvutano au mkazo wa mguso unaotenda kwenye kila kitengo cha eneo la uso katika sehemu hiyo.

Mlinganyo mkuu wa matriki wa BEM umetolewa katika utafiti katika umbo lifuatalo:

\[ \mathbf{H}\mathbf{u}=\mathbf{G}\mathbf{t} \]

\(\mathbf{H}\) ni matriki yenye vigawo vya uhamisho, na \(\mathbf{G}\) ina vigawo vya mvutano wa uso. Mradi jiometri ya sensa, sifa za elastiki na wavu wa uso havibadiliki, matriki hizi zinaweza kukokotolewa mapema.

Masharti ya mipaka yalifafanuliwaje?

Wavu wa BEM uligawanywa katika makundi matatu ya nodi:

• Kundi A: Nodi za uso wa juu zilizo na alama 63 za macho katika eneo la kuhisi. Uhamisho katika sehemu hizi hupimwa na kamera, huku nguvu zikiwa hazijulikani.
• Kundi B: Nodi 195 kwenye uso wa chini wa kifuniko cha sensa uliounganishwa na dirisha gumu. Kwa kuwa uso huu huchukuliwa kuwa thabiti, uhamisho ni sifuri.
• Kundi C: Nodi nyingine za mpaka zilizo nje ya eneo la kuhisi. Kwa kuwa maeneo haya huchukuliwa kuwa hayana nguvu ya nje, mvutano wa uso ni sifuri.

Masharti haya ya mipaka yamefafanuliwa kihisabati kama:

\[ \mathbf{u}_B=0, \qquad \mathbf{t}_C=0 \]

kwa namna hii. Kwa kutumia uhamisho unaojulikana wa \(\mathbf{u}_A\), mivutano ya mguso isiyojulikana ya \(\mathbf{t}_A\) hutatuliwa. Zinapozidishwa kwa eneo \(A\) linalozunguka kila nodi, nguvu za nodi hupatikana:

\[ \mathbf{f}_A=A\mathbf{t}_A \]

Watafiti waliunganisha mapema operesheni za matriki zisizobadilika katika matriki saidizi moja ya \(\mathbf{W}\). Kwa hiyo, wakati wa uendeshaji ukokotoaji wa nguvu hupunguzwa takriban kuwa ubadilishaji wa moja kwa moja ufuatao:

\[ \mathbf{f}_A=\mathbf{W}\mathbf{u}_A \]

Kupitia ubadilishaji huu, uga mpya wa nguvu wa pande tatu unaweza kukokotolewa kutokana na uhamisho wa alama uliopimwa katika kila fremu ya kamera. Hata hivyo, maandishi makuu hayatoi jedwali la kina la utendaji kuhusu idadi ya fremu kwa sekunde ya mfumo, ucheleweshaji wa jumla wa ukokotoaji au vifaa vya uchakataji vilivyotumika. Kwa hiyo, maelezo ya “wakati halisi” yanategemea uendeshaji wa mtandaoni katika maonyesho na hayajaungwa mkono na thamani ya kiasi ya ucheleweshaji.

Ulinganisho wa BEM na FEM ulionyesha nini?

Watafiti wanaripoti kwamba katika majaribio ya ukokotoaji yaliyo kwenye faili ya taarifa za ziada, suluhisho la BEM lenye nodi 442 lilitoa profaili za uhamisho na mvutano wa uso zilizo karibu sana na suluhisho la FEM la azimio la juu lenye nodi 25.137. Kihesabu, ulinganisho huu unamaanisha takriban nodi chache mara 57.

Kinyume chake, katika sehemu ya matokeo faida hiyo hiyo imeelezwa kama “takriban nodi chache mara nane”. Thamani za nodi 442 na 25.137 katika maandishi makuu haziendani na kauli ya mara nane katika sehemu ya matokeo. Inawezekana wavu tofauti za FEM zililinganishwa, lakini tofauti hii haijaelezwa katika utafiti uliopakiwa.

Ulinganisho husika wa FEM umeelekezwa kwenye Note S1. Kwa sababu faili ya taarifa za ziada haipo ndani ya utafiti uliopakiwa, muunganiko wa wavu, vigezo vya nyenzo elastiki vilivyotumika, vigezo vya kosa na muda wa ukokotoaji haviwezi kuchunguzwa kwa kina. Kwa hiyo, ingawa faida ya ukokotoaji ya BEM ni matokeo yenye nguvu yanayoungwa mkono na utafiti, masharti yote ya kiufundi ya dai la “usahihi sawia” hayawezi kuthibitishwa kutoka kwenye maandishi makuu.

Ni mabadiliko gani yalifanywa kwenye sensa ya kibiashara?

Kupunguza kipenyo cha alama kutoka 0,8 mm hadi 0,5 mm kulipunguza eneo la uso lililofunikwa kwa takriban %61. Alama ndogo ziliendelea kutoa utofautishaji wa pikseli wa kutosha kwenye picha ya kamera huku zikisababisha kufunikwa kidogo kwa picha ya muundo.

Vituo vya macho vilitenganishwaje?

Juu ya alama ya tabaka tatu kuna wino wa thermochromic wa buluu, katikati kuna wino mwekundu usioathiriwa na halijoto, na chini kuna msingi wa silikoni wazi. Katika halijoto ya chini alama huonekana hasa ya buluu. Halijoto inapozidi 40 °C, tabaka la juu huanza kubadilika kuwa kijivu chepesi na tabaka jekundu lililo chini huonekana zaidi.

Picha moja ya kamera ilichakatwa kwa madhumuni matatu tofauti:

• Kituo chekundu: Ramani ya halijoto ilitolewa kutokana na mabadiliko ya rangi ya alama.
• Kituo cha kijani au ukali wa kijivu: Nafasi na mienendo ya alama katika tambarare ya mlalo zilifuatiliwa.
• Vituo vyote vya RGB: Miteremko ya uso na ramani ya kina ilikokotolewa kwa mbinu ya stereo ya photometric.

Utenganishaji huu wa spektra huwezesha vipimo tofauti kupangiliwa kiasili ndani ya fremu ileile ya macho badala ya kufanywa kwa kamera tofauti. Hata hivyo, athari ya mabadiliko ya rangi yanayotokana na halijoto kwenye kina cha stereo ya photometric haikuondolewa kabisa.

Uhamisho wa pande tatu ulipimwaje?

Sensa hupima mwendo ndani ya tambarare kwa kufuatilia alama, na mwendo unaoelekea wima kwa uso kupitia ramani ya kina ya stereo ya photometric. Kwa kuwa thamani ghafi ya ramani ya kina ilikuwa ya pikseli badala ya millimita, usawazishaji wa kimwili ulifanywa.

Kichunguzi chenye ncha ya duara na kipenyo cha 2 mm kilibonyezwa katika nafasi tisa tofauti kwenye uso wa kuhisi. Nafasi hizi zilisambazwa karibu na katikati, pembe na sehemu za kati za kingo. Kina halisi cha kubonyeza kilichopatikana kutoka kwenye jukwaa la mstari lenye mota kililinganishwa na kina ghafi kilichotolewa na algoriti ya kamera.

Uhusiano takriban wa mstari ulipatikana kati ya kina halisi na kina ghafi:

\[ z(x,y)=k(X,Y)\,\tilde{z}(\tilde{x},\tilde{y}) \]

Hapa \(\tilde{z}\) ni kina ghafi kinachotegemea pikseli, \(z\) ni kina halisi katika millimita, na \(k(X,Y)\) ni kigawo cha usawazishaji kinachotegemea nafasi kwenye uso wa sensa. Kigawo hicho kilimodeliwa kwa uso wa daraja la pili:

\[ k(X,Y)=\sum_{i=0}^{2}\sum_{j=0}^{2}a_{ij}X^iY^j \]

X na Y ni viwianishi vya picha vilivyosawazishwa kati ya 0 na 1. Mabadiliko makubwa ya vigawo katika uso mzima yalionyesha kwamba mwanga wa RGB haukuwa sawia kwenye sensa. Unyeti katika katikati na sehemu ya juu-kushoto haukuwa sawa na unyeti katika sehemu ya chini-kulia.

Kigawo cha skeli cha takriban 0,065 kilitumika kubadilisha viwianishi vya pikseli kuwa millimita. Hata hivyo, kwa kuwa Table S3 yenye vigawo vya \(a_{ij}\) haipo katika utafiti uliopakiwa, uso wa usawazishaji hauwezi kujengwa upya.

Nafasi ya awali ya alama ilifafanuliwa kama \((x_0,y_0)\), na nafasi wakati wa mguso kama \((x_c,y_c)\). Vipengele vya uhamisho:

\[ u_x=x_c-x_0,\qquad u_y=y_c-y_0,\qquad u_z=z(x_c,y_c) \]

vilikokotolewa kwa namna hii. Makosa ya jumla ya mzizi wa wastani wa mraba yaliyoripotiwa yalikuwa 0,10 mm katika mwelekeo wa x, 0,07 mm katika mwelekeo wa y na 0,20 mm katika mwelekeo wa z. Kosa katika mwelekeo wima kwa uso lilikuwa kubwa kuliko vipengele viwili vya ndani ya tambarare.

Uga wa nguvu wa pande tatu ulithibitishwaje?

Uso wa kuhisi uligawanywa katika vipengele 440 vya uso vyenye nodi nne na jumla ya nodi 442. Vekta za nguvu za alama 63 zilizofuatiliwa na kamera ziliunda uga wa nguvu wa pande tatu katika eneo la kuhisi.

Katika jaribio la uthibitishaji, kichunguzi bapa chenye umbo la diski kilibonyezwa kwenye sensa kwa jukwaa lenye mota na kusogezwa katika mwelekeo wa mlalo. Sensa ya nguvu/momento ya mihimili mitatu iliyounganishwa na kichunguzi ilitoa kipimo cha marejeleo. Nguvu za mkato zilijaribiwa chini ya kina cha kubonyeza cha kawaida cha 0,3 mm, 0,4 mm na 0,5 mm.

Usahihi wa nguvu ya mkato ulizorota kadiri kina cha kubonyeza cha kawaida kilivyoongezeka. Katika kubonyeza kwa 0,3 mm, makosa ya F_x na F_y yalikuwa 0,169 N na 0,158 N mtawalia, huku katika kubonyeza kwa 0,5 mm yakiwa 0,310 N na 0,248 N.

Nguvu ya kawaida ilipozidi takriban 7 N, thamani zilizokokotolewa zilitofautiana wazi na marejeleo. Watafiti walihusisha hili na kichunguzi cha diski kufunika sehemu kubwa ya eneo la kuhisi, kupunguza gradienti ya mwanga kwenye uso na kuvuruga ukokotoaji wa kina wa stereo ya photometric.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba ujenzi upya wa nguvu hautegemei tu modeli elastiki ya BEM, bali pia usahihi wa kina cha macho na mienendo ya alama iliyotolewa katika hatua iliyotangulia.

Halijoto ilipimwaje?

Alama za thermochromic zilionyesha mabadiliko dhahiri ya rangi katika takriban 40–50 °C. Watafiti walipima ukali wa kituo chekundu wa alama zote katika masafa ya 20–55 °C. Utenganishaji mkubwa zaidi wa macho ulipatikana pale wino mwekundu wa usuli ulipotumiwa pamoja na kituo chekundu cha picha.

Katika mpangilio huu, masafa ya ukali wa kituo chekundu yalikuwa 26–75 katika 20 °C na yaliongezeka hadi 44–167 katika 55 °C. Kwa kila alama, usawazishaji tofauti wa mstari ulitumika kati ya ukali mwekundu na halijoto. Katika masafa ya kipimo cha 40–50 °C, thamani za RMSE za halijoto zilibadilika kati ya 0,26–1,40 °C kulingana na nafasi ya alama.

Makosa yalikuwa madogo katika sehemu ya kati ya sensa na makubwa zaidi kwenye kingo za kushoto, juu na chini. Usambazaji huu unaonyesha kwamba mwanga ndani ya kisanduku cha sensa haukuwa sawia kijiometri. Kwa hiyo, badala ya usawazishaji mmoja wa jumla wa halijoto, usawazishaji maalumu kwa kila alama kulingana na nafasi ulihitajika.

Halijoto ilivurugaje ukokotoaji wa nguvu?

Mabadiliko ya rangi ya wino wa thermochromic yaliwezesha kipimo cha halijoto lakini pia yaliongeza chanzo kipya cha kosa katika algoriti ya stereo ya photometric. Kubonyeza kulekule kwa kawaida kulitumiwa katika 40 °C na 50 °C kwa kichunguzi kilekile bapa chenye kipenyo cha 10 mm.

Katika 40 °C, uhamisho uliopimwa wima kwa uso na nguvu vilibaki thabiti kwa muda:

• Wastani U_z: 0,38 ± 0,01 mm
• Wastani F_z: 1,70 ± 0,03 N

Katika 50 °C, ingawa kubonyeza halisi kulihifadhiwa bila kubadilika, kina kilichokokotolewa kiliongezeka kutoka 0,38 mm hadi 0,44 mm ndani ya takriban sekunde 150, na nguvu iliyokokotolewa ikaongezeka kutoka 1,7 N hadi 3,5 N. Ongezeko bandia la kina na nguvu lilionyesha ulinganifu wa juu na mikunjo ya logarithimu:

\[ U_z=0{,}03\ln(t-48{,}6)+0{,}29,\qquad R^2=0{,}98 \]

\[ F_z=0{,}99\ln(t-39{,}5)-1{,}66,\qquad R^2=0{,}99 \]

Ongezeko hili halikuwa ongezeko halisi la nguvu ya kimitambo. Mabadiliko ya rangi ya alama kutoka buluu kuelekea nyekundu yalisababisha algoriti ya stereo ya photometric kutambua uso kuwa wa kina zaidi kuliko ulivyokuwa. Kwa sababu BEM ilikubali uhamisho huu wenye kosa kama ingizo la kimwili, thamani ya nguvu pia iliongezeka.

Matokeo yanaonyesha kwamba ingawa halijoto na nguvu zinaweza kupimwa kwa sensa moja, vipimo hivi viwili si huru kabisa. Kwa kipimo cha kiasi cha nguvu katika halijoto zinazobadilika, usawazishaji upya wa papo hapo, urekebishaji wa usambazaji wa mwanga au mbinu za stereo ya photometric zisizoathiriwa na mabadiliko ya rangi zinahitajika.

Muundo wa uso ulipimwa kwa azimio gani?

Sensa ilijaribiwa kwa nyuso za metali zenye muundo wa meno ya msumeno sambamba wenye urefu wa mawimbi wa 300, 500, 800 na 1.000 µm. Sensa ilibonyezwa kwenye uso kwa uzito wa gramu 500.

Miundo ya 500 µm na zaidi ilijengwa upya kwa uwazi katika picha za kamera na ramani za kina. Muundo wa 300 µm uliweza kutambuliwa, lakini ulionekana kwa ukungu zaidi na uliathiriwa zaidi na kufunikwa na alama. Ingawa Jedwali 1 linaonyesha kikomo cha utambuzi wa muundo kuwa 300 µm, maandishi makuu yanaonyesha kwamba ujenzi upya wa kuaminika na ulio wazi ulipatikana zaidi kwa sampuli za zaidi ya 500 µm.

Kulingana na mbinu ya ISO 25178-2:2012, vigezo tisa vya uso vilikokotolewa:

Kadiri urefu wa wimbi la muundo ulivyoongezeka, S_q, S_p, S_v, S_z, S_a, S_dq na hasa S_dr ziliongezeka. Kwa sababu jiometri za meno ya nyuso za majaribio zilikuwa zinazofanana, hakuna uhusiano wa kawaida na urefu wa wimbi ulioonekana katika thamani za S_sk na S_ku.

Kupunguza ukubwa wa alama kuliboresha kipimo cha muundo kwa kiasi gani?

Alama za macho ni muhimu kwa kipimo cha uhamisho; hata hivyo, hufunika sehemu ya picha ya uso na kuvuruga kipimo cha muundo. Watafiti walilinganisha uso wa meno ya msumeno wenye hatua ya 500 µm kwa vifuniko vinne vya sensa:

• Kifuniko halisi cha GelSight kisicho na alama
• Kifuniko kipya kisicho na alama
• Kifuniko halisi chenye alama za 0,8 mm
• Kifuniko kipya chenye alama za 0,5 mm

Alama halisi za 0,8 mm zilipotumika, kigezo cha S_dq kinachoathiriwa na gradienti kilikokotolewa kuwa takriban %55 juu kuliko hali isiyo na alama, na S_dr zaidi ya %160 juu. Sababu ilikuwa kwamba alama zilifunika maelezo ya uso na kubadilisha jiometri ya mwanga na uakisi ya eneo husika.

Alama za 0,5 mm zilipunguza kwa kiasi kikubwa mikengeuko ya S_dq na S_dr. Hata hivyo, katika ukubwa unaotegemea amplitude kama S_a, S_q, S_p, S_v na S_z, mikengeuko ya zaidi ya %20 iliendelea katika hali nyingi.

Kwa hiyo, kupunguza ukubwa wa alama kuliboresha usawa kati ya kipimo cha muundo na nguvu, lakini hakukutatua kabisa tatizo la metrologia ya uso ya usahihi wa juu. Katika matumizi yanayohitaji kipimo nyeti cha muundo, kama udhibiti wa ubora wa nyenzo, maeneo yasiyo na alama, mbinu za ziada za upigaji picha au algoriti za marekebisho ya baadaye zinaweza kuhitajika.

Jaribio la sarafu ya moto lilionyesha nini?

Katika matumizi ya kwanza ya roboti, sarafu iliyopashwa moto ilibonyezwa kwenye sensa na kuzungushwa. Kamera ilionyesha umbo la “1” lililo kwenye sarafu kama muundo wa uso. Wakati huo huo:

• Uga wa ongezeko la halijoto ΔT,
• Uga wa uhamisho ndani ya tambarare U_xy,
• Uhamisho wima kwa uso U_z,
• Uga wa nguvu ya mkato F_xy,
• Uga wa nguvu ya kawaida F_z

vilikokotolewa. Sarafu ilipozungushwa, mishale ya uhamisho na nguvu ya mkato ilionyesha mwendo wa mguso katika mwelekeo wa mzunguko. Kwa kutumia vekta ya nguvu ya kila alama, momento jumla ndani ya tambarare pia ilikokotolewa.

Matumizi haya yanaonyesha kwamba taarifa za umbo, halijoto, nguvu na mzunguko katika tukio lilelile la mguso zinaweza kufuatiliwa kwa pamoja ndani ya mfumo mmoja wa viwianishi vya kamera.

Chombo chenye maji ya moto kilishikwaje?

Katika matumizi ya pili, sensa ya BEMT ilitumika kama moja ya vidole vya kishikio cha roboti. Roboti kwanza ilishika chombo laini na tupu, kisha maji ya moto yakamwagwa ndani yake.

Maji yalipoongezwa, sensa iliona mwendo wa chombo kuelekea chini katika uga wa uhamisho. Watafiti waliutathmini mwendo huu kama kiashiria kinachohusiana na kuanza kwa kuteleza. Uga wa nguvu ulionyesha nguvu za msuguano zilizosambazwa kuelekea chini.

Katika uga wa uhamisho, mienendo ya kufunguka kulia na kushoto kutokana na kubanwa kwa elastoma ilionekana, lakini kufunguka huko kwa mlalo hakukuonekana katika uga wa nguvu. Tofauti hii inaunga mkono hitimisho kwamba mwendo wa uso si sawa moja kwa moja na nguvu na kwamba kukokotoa nguvu halisi ya mguso hutoa taarifa tofauti na kufuatilia deformesheni pekee.

Chombo tupu kiliposhikwa, nguvu ya mkato ya wima iliongezeka hadi takriban 0,11 N, na baada ya maji ya moto kuongezwa ikafikia 0,73 N. Watafiti walikadiria kutokana na matokeo haya kwamba chombo kilikuwa na uzito wa takriban gramu 22 na maji gramu 127. Ongezeko la wastani la halijoto lilikuwa 8,2 °C ndani ya sekunde 24. Mabadiliko ya nguvu yalitokea haraka, huku mwitikio wa joto wa wino wa thermochromic na silikoni ukiwa wa polepole zaidi.

Majaribio ya vitambaa yalionyesha nini?

Vitambaa kumi vyenye miundo tofauti ya ufumaji, aina za nyuzi na rangi vilipimwa kwa kuweka mzigo wa kudumu wa gramu 500 juu ya sensa. Vigezo tisa vya uso vilikokotolewa kwa kila kitambaa.

Kitambaa cha tisa kilifikia thamani za juu zaidi katika vigezo vingi isipokuwa S_sk na S_ku, na kilijitokeza kama sampuli yenye muundo ulio dhahiri zaidi. Vigezo vya uso vya kitambaa cha tatu, saba na kumi vilikuwa vya chini zaidi na vilitathminiwa kuwa na miundo isiyo dhahiri sana.

Kwa kuwa thamani za S_sk na S_ku zilikuwa na kelele na masafa mapana ya makosa kati ya vitambaa, hazikuchukuliwa kuwa viashiria vya kuaminika vya muundo zikitumiwa pekee. Utafiti unaonyesha kwamba uainishaji wa vitambaa unahitaji tathmini ya pamoja ya vigezo vingi badala ya ukubwa mmoja wa uso.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Mienendo ya pande tatu ya alama iliyopimwa kwenye uso inaweza kubadilishwa kuwa vekta za nguvu za pande tatu katika sehemu mahususi kwa kutumia BEM.
• Suluhisho linalotegemea mpaka halihitaji kugawanya ujazo mzima wa sensa katika vipengele.
• Alama 63 zinaweza kuwakilisha usambazaji wa nguvu wa pande tatu katika eneo la kuhisi.
• Alama za 0,5 mm zilipunguza kufunikwa kwa muundo na hasa makosa katika vigezo vya uso vinavyotegemea gradienti ikilinganishwa na alama za 0,8 mm.
• Utenganishaji wa vituo vyekundu na vya kijani uliwezesha halijoto na nafasi ya alama kupimwa kutoka kwenye picha ileile.
• Sensa iliweza kutoa kwa wakati mmoja taarifa za halijoto, uhamisho, nguvu na muundo katika kazi za mguso na ushikaji za roboti.
• Usahihi wa nguvu ya mkato ulipungua kadiri mgandamizo wa kawaida ulivyoongezeka.
• Mabadiliko ya rangi yanayotegemea halijoto yasiposahihishwa yanaweza kusababisha drift kubwa katika thamani za kina na nguvu.

Matokeo ambayo utafiti haujathibitisha

• Haijaonyeshwa kwamba mbinu ya BEMT itafanya kazi kwa usahihi uleule katika elastoma zote, jiometri zote za sensa au sensa zote za kibiashara za kuona-na-kugusa.
• Ucheleweshaji wa wakati halisi wa mbinu, idadi ya fremu kwa sekunde na gharama ya ukokotoaji kwenye vichakataji tofauti hazijatolewa kwa kiasi katika maandishi makuu.
• Maelezo yote ya makosa na muunganiko katika ulinganisho wa BEM na FEM hayajaweza kuthibitishwa kwa sababu faili ya ziada haipo.
• Drift ya nguvu karibu na 50 °C haijatatuliwa; imefafanuliwa tu na hitaji la usawazishaji limeelezwa.
• Haijaonyeshwa kwamba muundo wa 300 µm umejengwa upya kwa usahihi wa juu; uliweza kutambuliwa lakini uliendelea kuwa usio wazi.
• Haijaonyeshwa kwamba kupunguza ukubwa wa alama kunasahihisha vigezo vyote vya uso kwa usahihi wa juu.
• Athari za uchakavu wa muda mrefu, maisha ya mizunguko, uimara wa kemikali, vumbi, mafuta na uchafuzi wa viwandani hazijachunguzwa.
• Udhibiti huru wa ushikaji wa mzunguko funge au mwitikio wa kiotomatiki katika hali ya hitilafu haujaonyeshwa katika matumizi ya roboti.
• Gharama ya uzalishaji kwa wingi, ufaafu wa kibiashara au uthibitishaji wa usalama wa mbinu haujatathminiwa.

Nguvu kuu za utafiti ni zipi?

Nguvu kuu ya utafiti ni kwamba ukokotoaji wa nguvu haujashughulikiwa tu kama tatizo la utabiri linalotegemea data, bali kama tatizo la kinyume la kimwili linalotegemea masharti ya mipaka ya mwili elastiki. Muundo huu hufanya iwezekane kueleza ni dhana zipi za kimitambo zinazozalisha nguvu zilizokokotolewa.

Nguvu ya pili ni tathmini ya pamoja ya aina nne za vipimo katika sensa ileile. Umbo la uso, mwendo wa alama, uga wa nguvu na halijoto zimepangiliwa kijiometri katika picha ileile ya kamera. Hakuna haja ya kamera tofauti au picha zinazounganishwa kwa nyakati tofauti.

Nguvu ya tatu ni kwamba uthibitishaji wa mbinu haukuishia kwenye majaribio rahisi ya kubonyeza. Aina mbalimbali za mguso, ikiwemo mkato, mguso wa moto, kuzungusha, kushika chombo laini na nyuso mbalimbali za vitambaa, zilijaribiwa.

Vikwazo vikuu ni vipi?

Sehemu kubwa ya maelezo muhimu ya majaribio iliwekwa kwenye faili ya taarifa za ziada. Ulinganisho wa BEM-FEM, utengenezaji wa kifuniko cha sensa, itifaki za majaribio, vigawo vya usawazishaji, athari ya halijoto, unene wa ngozi, drift ya alama na nyuga changamano za nguvu za sehemu nyingi zimeelezwa katika Note S1–S10. Viambatisho hivi havipo ndani ya utafiti uliopakiwa.

Tabia ya kimitambo ya elastoma inawakilishwa katika ukokotoaji wa BEM kwa modeli ya mpaka ya elastiki ya mstari. Haijaelezwa kwa kina katika maandishi makuu jinsi deformesheni kubwa, ucheleweshaji wa viscoelastic, hysteresis, mabadiliko ya nyenzo yanayotegemea halijoto na tabia ya msuguano wa eneo husika yalivyoingizwa kwenye modeli.

Uthibitishaji ulifanywa hasa kupitia nguvu jumla za F_x, F_y na F_z. Hakukuwa na kipimo huru cha marejeleo cha vekta za nguvu za eneo husika zilizokokotolewa katika kila sehemu ya alama. Kwa hiyo, usahihi wa nguvu jumla pekee hauthibitishi kwamba usambazaji wa nguvu wa eneo husika una usahihi uleule katika kila sehemu.

Masafa yanayoweza kutumika ya halijoto ya wino wa thermochromic yamezuiliwa kwa takriban 40–50 °C. Mabadiliko madogo karibu na halijoto ya chumba hayawezi kupimwa moja kwa moja kwa usahihi mkubwa. Mwitikio wa joto pia ni wa polepole kuliko mwitikio wa nguvu ya kimitambo.

Utafiti bado haujapitia mapitio ya wenzao. Aidha, baadhi ya maelezo ya nambari katika maandishi makuu, kama uwiano wa kupunguza nodi wa BEM-FEM, hayalingani ndani yake.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa mfumo wa majaribio

Muundo wa wavu wa BEM

Utendaji wa kipimo

Kosa la nguvu ya mkato kulingana na kina cha kubonyeza

Mwingiliano wa halijoto na nguvu

Ujumbe mkuu wa vielelezo

• Kielelezo 1: Kinaonyesha usawazishaji wa kina katika nafasi tisa, uso wa usawazishaji unaotegemea nafasi na uga wa uhamisho wa pande tatu ulioundwa kutokana na mienendo ya alama.
• Kielelezo 2: Kinaonyesha wavu wa BEM wenye nodi 442, mpangilio wa uthibitishaji wa nguvu na ulinganisho wa nguvu zilizokokotolewa na thamani za sensa ya marejeleo ya mihimili mitatu.
• Kielelezo 3: Kinaonyesha mabadiliko ya kituo chekundu ya alama za thermochromic kati ya 20–55 °C na usambazaji wa makosa ya usawazishaji wa halijoto kwenye uso wa sensa.
• Kielelezo 4: Kinaonyesha matokeo ya kina na nguvu yaliyobaki thabiti katika 40 °C chini ya kubonyeza kulekule kwa kimwili, lakini yakiongezeka kwa njia bandia katika 50 °C kutokana na mabadiliko ya rangi.
• Kielelezo 5: Kinaonyesha picha na ramani za kina za nyuso za meno ya msumeno zenye urefu wa mawimbi wa 300–1.000 µm, pamoja na mabadiliko ya vigezo tisa vya uso.
• Kielelezo 6: Kinalinganisha athari za alama za 0,8 mm na 0,5 mm kwenye picha ya muundo na vigezo vya uso.
• Kielelezo 7: Kinaonyesha vipimo vya halijoto, uhamisho, nguvu na momento wakati sarafu ya moto inabonyezwa na kuzungushwa.
• Kielelezo 8: Kinaonyesha ufuatiliaji wa wakati mmoja wa halijoto na nguvu ya mkato wakati kishikio cha roboti kinashika chombo laini kilichojazwa maji ya moto.
• Kielelezo 9: Kinalinganisha picha za uso za vitambaa kumi tofauti na vigezo tisa vya muundo mdogo vilivyokokotolewa.

Tathmini ya kimbinu

Mbinu ya BEM-Tactile ina nguvu kwa sababu inaunganisha moja kwa moja uhamisho wa uso unaoweza kupimwa na kamera na masharti ya mipaka ya kimitambo. Kupunguza operesheni zinazohitaji kutatuliwa upya katika kila fremu ya picha kupitia matriki ya ubadilishaji iliyokokotolewa mapema kunasaidia ukokotoaji wa uga wa nguvu mtandaoni.

Hata hivyo, mnyororo wa vipimo una vyanzo vya makosa vinavyofuatana. Picha ya kamera huzalisha nafasi ya alama na kina, uhamisho huu huingizwa kwenye BEM, na BEM hukokotoa nguvu. Mwanga, rangi, kufunikwa kwa alama au kosa la stereo ya photometric likiharibu thamani ya uhamisho, suluhisho la kimwili la nguvu pia hutoa matokeo yenye kosa.

Kwa hiyo, mafanikio ya mfumo hayategemei milinganyo ya BEM pekee; yanategemea kwa pamoja usawazishaji wa kimitambo wa nyenzo ya sensa, usawa wa mwanga, utenganishaji wa rangi, utambuzi wa alama na jiometri ya mguso.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti:Multimodal Visuotactile Sensing with 3D Force Field Reconstruction based on Boundary Element Method

Waandishi na mpangilio wao: Longteng Yu; Qi Wang; Haoyu Wu; Zonghao Gu; Dabiao Liu.

Taarifa ya mwandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa: Hakuna taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa katika utafiti.

Waandishi wa mawasiliano: Longteng Yu na Dabiao Liu.

Uhusiano wa taasisi:

1. Hangzhou International Innovation Institute, Beihang University, Hangzhou, China.
2. Key Laboratory of Biomechanics and Mechanobiology, Ministry of Education; Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering; School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing, China.
3. Zhejiang Lab, Hangzhou, China.
4. Department of Engineering Mechanics, School of Aerospace Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China.
5. Hubei Key Laboratory of Engineering Structural Analysis and Safety Assessment, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China.
6. State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Equipment and Technology, Wuhan, China.

DOI: 10.2139/ssrn.7201959.

Jarida: Jina la jarida lililopitiwa na wenzao au toleo la jarida lililokubaliwa halijaorodheshwa katika utafiti.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mchapishaji asili: Hakuna. SSRN si jarida la kisayansi wala mchapishaji asili, bali ni jukwaa la kushiriki utafiti wa hatua za awali na preprint chini ya Elsevier.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti inayojumuisha marekebisho ya sensa, uundaji wa modeli za kimitambo, usawazishaji wa nguvu na majaribio ya matumizi ya roboti.

Hali ya mapitio ya wenzao: Utafiti haujapitia mapitio ya wenzao. Matokeo yanapaswa kutathminiwa kama matokeo ya awali ya utafiti kabla ya mapitio huru ya wenzao na marekebisho yanayoweza kufuata.

Kiungo rasmi cha chanzo:https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=7201959

Michango ya waandishi: Longteng Yu — uundaji wa dhana, uchanganuzi rasmi, upatikanaji wa ufadhili, utafiti, uoneshaji, rasimu ya kwanza na uhariri; Qi Wang — programu, utafiti, mbinu na uoneshaji; Haoyu Wu — utafiti, mbinu na programu; Zonghao Gu — utafiti na uoneshaji; Dabiao Liu — uundaji wa dhana, upatikanaji wa ufadhili, usimamizi, uoneshaji na uhariri.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na ruzuku namba 12302248, 12272146 na 12572188 za National Natural Science Foundation of China. Kwa Dabiao Liu, msaada wa Hubei Provincial Natural Science Foundation 2026AFC0619 na Central Universities Fundamental Research Funds 2024BRA009 pia umetajwa.

Maelezo haya ya Kiswahili yameandaliwa kwa kuchunguza kurasa 39 za utafiti uliopakiwa, milinganyo yake, Jedwali 1 na matokeo ya picha na nambari katika Kielelezo 1–9. Hakuna matokeo ya kisayansi ya nje ambayo hayapo katika utafiti yaliyoingizwa; ukaguzi wa nje ulitumika tu kuthibitisha jina, waandishi, DOI, jukwaa rasmi na hali ya uchapishaji.

Matokeo mengi katika utafiti yameelekezwa kwenye faili ya taarifa za ziada. Note S1–S10, Fig. S14, Table S3–S5 na Movie S1–S2 hayapo katika toleo lililopakiwa. Kwa hiyo, maelezo ya ulinganisho wa ukokotoaji wa BEM-FEM, vigezo vyote vya utengenezaji wa kifuniko cha kuhisi, itifaki za majaribio, vigawo vya usawazishaji, drift ya muda mrefu ya alama, unene tofauti wa elastoma na matokeo ya nyuga changamano za nguvu za sehemu nyingi hayakuweza kutathminiwa kikamilifu.

Katika maandishi makuu imeripotiwa kuwa suluhisho la BEM lenye nodi 442 lililinganishwa na suluhisho la FEM lenye nodi 25.137, huku sehemu ya matokeo ikiandika kwamba BEM ilitumia takriban nodi chache mara nane. Idadi za nodi zilizotolewa zinaonyesha tofauti ya takriban mara 57. Uwiano kamili wa akiba ya ukokotoaji haupaswi kutumiwa mpaka kutokulingana huku kufafanuliwe na waandishi.

Ingawa mbinu hukokotoa uga wa nguvu wa eneo husika, majaribio ya uthibitishaji yalitegemea hasa nguvu jumla za F_x, F_y na F_z zinazotenda kwenye eneo la kuhisi. Vekta ya nguvu ya eneo husika katika kila sehemu ya alama haikuthibitishwa kwa sensa huru ya nguvu ya marejeleo.

Mabadiliko ya rangi ya thermochromic, hasa katika 50 °C, yaliongeza kwa utaratibu kina cha stereo ya photometric na ukokotoaji wa nguvu unaotegemea kina hicho. Kwa hiyo, hisia ya hali nyingi iliyoripotiwa haimaanishi kwamba vipimo vya halijoto na nguvu vimetenganishwa kikamilifu katika hali zote.