Bantuan untuk desain hand manipulator robot

Peneliti MIT telah menciptakan saluran desain interaktif yang merampingkan dan menyederhanakan proses pembuatan tangan robot yang disesuaikan dengan sensor taktil.

Biasanya, seorang ahli robotika dapat menghabiskan waktu berbulan-bulan untuk merancang manipulator khusus secara manual, sebagian besar melalui coba-coba. Setiap iterasi bisa membutuhkan bagian baru yang harus dirancang dan diuji dari awal. Sebaliknya, pipa baru ini tidak memerlukan perakitan manual atau pengetahuan khusus.

Mirip dengan membangun dengan LEGO digital, seorang desainer menggunakan antarmuka untuk membangun manipulator robot dari satu set komponen modular yang dijamin dapat diproduksi. Pengguna dapat menyesuaikan telapak tangan dan jari tangan robot, menyesuaikannya dengan tugas tertentu, dan kemudian dengan mudah mengintegrasikan sensor taktil ke dalam desain akhir.

Setelah desain selesai, perangkat lunak secara otomatis menghasilkan pencetakan 3D dan file rajut mesin untuk membuat manipulator. Sensor taktil digabungkan melalui sarung tangan rajutan yang pas di tangan robot. Sensor ini memungkinkan manipulator untuk melakukan tugas-tugas kompleks, seperti mengambil barang-barang halus atau menggunakan alat.

“Salah satu hal yang paling menarik tentang pipeline ini adalah membuat desain dapat diakses oleh khalayak umum. Daripada menghabiskan waktu berbulan-bulan atau bertahun-tahun untuk mengerjakan sebuah desain, dan menghabiskan banyak uang untuk membuat prototipe, Anda dapat memiliki prototipe yang berfungsi dalam hitungan menit,” kata penulis utama Lara Zlokapa, yang akan lulus musim semi ini dengan gelar masternya di bidang teknik mesin.

Bergabung dengan Zlokapa di atas kertas adalah penasihatnya Pulkit Agrawal, profesor di Laboratorium Ilmu Komputer dan Kecerdasan Buatan (CSAIL), dan Wojciech Matusik, profesor teknik elektro dan ilmu komputer. Rekan penulis lainnya termasuk mahasiswa pascasarjana CSAIL Jie Xu dan Yiyue Luo (yang juga seorang MathWorks Fellow), insinyur mesin Michael Foshey, dan Kui Wu, seorang ilmuwan peneliti senior di Tencent America. Penelitian ini dipresentasikan pada Konferensi Internasional tentang Robotika dan Otomasi.

Mempertimbangkan modularitas

Sebelum dia mulai mengerjakan pipa, Zlokapa berhenti sejenak untuk mempertimbangkan konsep modularitas. Dia ingin membuat komponen yang cukup sehingga pengguna dapat mencampur dan mencocokkan dengan fleksibilitas, tetapi tidak terlalu banyak sehingga mereka kewalahan oleh pilihan.

Dia berpikir kreatif tentang fungsi komponen, daripada bentuk, dan menghasilkan sekitar 15 bagian yang dapat digabungkan untuk membuat triliunan manipulator unik.

Para peneliti kemudian fokus pada membangun antarmuka intuitif di mana pengguna mencampur dan mencocokkan komponen dalam ruang desain 3D. Serangkaian aturan produksi, yang dikenal sebagai tata bahasa grafik, mengontrol bagaimana pengguna dapat menggabungkan potongan berdasarkan cara masing-masing komponen, seperti sambungan atau poros jari, cocok bersama.

“Jika kita menganggap ini sebagai kit LEGO di mana Anda memiliki blok bangunan berbeda yang dapat Anda satukan, maka tata bahasanya mungkin seperti 'balok merah hanya bisa di atas balok biru' dan 'balok biru tidak bisa di atas. dari blok hijau.' Graph grammar memungkinkan kami untuk memastikan bahwa setiap desain valid, artinya masuk akal secara fisik dan Anda dapat membuatnya,” jelasnya.

Setelah pengguna membuat struktur manipulator, mereka dapat mengubah bentuk komponen untuk menyesuaikannya untuk tugas tertentu. Misalnya, mungkin manipulator membutuhkan jari dengan ujung yang lebih ramping untuk menangani gunting kantor atau jari melengkung yang dapat menggenggam botol.

Selama tahap deformasi ini, perangkat lunak mengelilingi setiap komponen dengan sangkar digital. Pengguna meregangkan atau menekuk komponen dengan menyeret sudut setiap sangkar. Sistem secara otomatis membatasi gerakan-gerakan itu untuk memastikan potongan-potongan masih terhubung dengan benar dan desain akhir tetap dapat diproduksi.

Cocok seperti sarung tangan

Setelah penyesuaian, pengguna mengidentifikasi lokasi untuk sensor taktil. Sensor ini diintegrasikan ke dalam sarung tangan rajutan yang pas dengan aman di sekitar manipulator robot cetak 3D. Sarung tangan terdiri dari dua lapisan kain, satu yang berisi serat piezoelektrik horizontal dan satu lagi dengan serat vertikal. Bahan piezoelektrik menghasilkan sinyal listrik saat diperas. Sensor taktil terbentuk di mana serat piezoelektrik horizontal dan vertikal berpotongan; mereka mengubah rangsangan tekanan menjadi sinyal listrik yang dapat diukur.

“Kami menggunakan sarung tangan karena mudah dipasang, mudah diganti, dan mudah dilepas jika kami perlu memperbaiki bagian dalamnya,” Zlokapa menjelaskan.

Plus, dengan sarung tangan, pengguna dapat menutupi seluruh tangan dengan sensor taktil, daripada menyematkannya di telapak tangan atau jari, seperti halnya dengan manipulator robot lainnya (jika mereka memiliki sensor taktil sama sekali).

Dengan antarmuka desain yang lengkap, para peneliti menghasilkan manipulator khusus untuk empat tugas kompleks: mengambil telur, memotong kertas dengan gunting, menuangkan air dari botol, dan memasang mur sayap. Manipulator mur sayap, misalnya, memiliki satu jari yang diperpanjang dan diseimbangkan, yang mencegah jari bertabrakan dengan mur saat berputar. Desain yang sukses itu hanya membutuhkan dua iterasi.

Manipulator perampas telur tidak pernah memecahkan atau menjatuhkan telur selama pengujian, dan manipulator pemotong kertas dapat menggunakan gunting yang lebih luas daripada tangan robot yang ada yang dapat mereka temukan dalam literatur.

Tetapi ketika mereka menguji manipulator, para peneliti menemukan bahwa sensor menghasilkan banyak suara karena anyaman serat rajutan yang tidak rata, yang menghambat akurasinya. Mereka sekarang bekerja pada sensor yang lebih andal yang dapat meningkatkan kinerja manipulator.

Para peneliti juga ingin mengeksplorasi penggunaan otomatisasi tambahan. Karena aturan tata bahasa grafik ditulis dengan cara yang dapat dipahami komputer, algoritme dapat mencari ruang desain untuk menentukan konfigurasi optimal untuk tangan robot khusus tugas. Dengan manufaktur otonom, seluruh proses pembuatan prototipe dapat dilakukan tanpa campur tangan manusia, kata Zlokapa.

“Sekarang kami memiliki cara bagi komputer untuk menjelajahi ruang desain ini, kami dapat menjawab pertanyaan, 'Apakah tangan manusia adalah bentuk yang optimal untuk melakukan tugas sehari-hari?' Mungkin ada bentuk yang lebih baik? Atau mungkin kita ingin lebih banyak atau lebih sedikit jari, atau jari menunjuk ke arah yang berbeda? Penelitian ini tidak sepenuhnya menjawab pertanyaan itu, tetapi merupakan langkah ke arah itu,” katanya.

“Makalah ini menyajikan ide yang menarik dan desain sistem yang elegan,” kata Wenzhen Yuan, asisten profesor di Institut Robotika di Universitas Carnegie Mellon, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Ini memberikan cara berpikir baru tentang desain robot di era baru ini di mana penyesuaian dan keserbagunaan robot sangat penting. Itu membuat jembatan yang baik antara desain mekanik, grafik komputer, dan fabrikasi komputasi. Saya dapat memperkirakan banyak aplikasi sistem dan banyak potensi dalam metodologi.”

Pekerjaan ini didukung, sebagian, oleh Toyota Research Institute, Defense Advanced Research Projects Agency, dan Amazon Robotics Research Award.