Данный робот управляет очень гибкими инструментами

Как рассчитать скоординированные движения двух роботов-манипуляторов, чтобы они могли точно направлять очень гибкий инструмент? Исследователи ETH интегрировали все аспекты расчетов оптимизации в один общий алгоритм. И теперь устройство сможет использовать резак из горячей проволоки, который часто применяется при создании строительных блоков для возведения конструкций без применения строительного раствора.

Новорожденный ребенок обычно двигает руками и ногами беспорядочно. Он должен научиться координировать собственные действия шаг за шагом. Чтобы овладеть тонко сбалансированными движениями скрипача или каллиграфа, требуются годы практики. Поэтому неудивительно, что сложные вычисления оптимального движения двух роботов для точного управления инструментом включают чрезвычайно сложные задачи оптимизации. Сложность также значительно возрастает, когда сам инструмент не является жестким, а гибким, и может изгибаться абсолютно в любом направлении.

Саймон Дюнсер из исследовательской группы Stelian Coros в Институте интеллектуальных интерактивных систем работал с другими исследователями над разработкой робота-резака, работающего с проволокой, которая постоянно изгибается во время работы.

Это позволяет ему создавать гораздо более сложные формы за значительно меньшее количество разрезов, чем в предыдущих системах, где электрически нагреваемый провод является жестким и, таким образом, может разрезать только линейчатые поверхности из плавкого пластика, проводя только прямые линии из одной точки в другую.

Создание статуэток и оформление фасадов

Возможности нового устройства не ограничены вырезанием блоков, цилиндров, и других простых фигур, ведь теперь оно без труда может делать канавки округлой формы. Однако самым большим преимуществом является то, что целенаправленный изгиб проволоки означает, что требуется гораздо меньше разрезов, чем если бы целевая форма должна была быть приближена с использованием линейчатых поверхностей.

В результате сгибаемую проволоку можно использовать для создания фигуры сидящего кролика из полистирольного блока всего за десять разрезов. Очертание кролика становится ясно узнаваемым уже после двух разрезов. Помимо фундаментального улучшения традиционных методов резьбы горячей проволокой, проект RoboCut также способен выполнять и другие прикладные задачи.

Например, в будущем эту технологию можно будет использовать в архитектуре для изготовления изделий из полистирола. Это позволит разнообразить дизайн фасадов и разработать новые типы модульных строительных систем.

Процесс оптимизации RoboCut

Для Дюнсера в центре внимания проекта стояли научные проблемы. «Сложные расчеты оптимизации - вот что делает RoboCut особенным. Они необходимы, чтобы найти наиболее эффективные траектории движения инструмента для обеспечения максимально точного выполнения работ», - поясняет ученый.

Чтобы перемещать провод контролируемым образом, он был прикреплен к двурукому роботу Yumi от ABB. Во-первых, необходимо было рассчитать реакцию провода на движения манипуляторов робота. Положения, которые могут привести к нестабильному размещению проводов или где существует риск его обрыва, были исключены во время моделирования.

Затем исследователи ETH смогли разработать на этой основе фактическую оптимизацию. При этом необходимо было одновременно учитывать три взаимосвязанных аспекта. На физическом уровне было важно спрогнозировать контролируемый изгиб и движение проволоки для выполнения желаемых разрезов.

Что касается формы, необходимо было определить последовательность резки, которая обеспечила бы высокоточное приближение поверхности к заданной форме за минимально возможное количество шагов. Наконец, необходимо было исключить столкновения проволоки с самим роботом, или тем, что находится неподалеку.

Устранение недостатков RoboCut

Дюнсер - один из первых ученых, которому удалось интегрировать все параметры этой сложной задачи в глобальный алгоритм оптимизации. Для этого он разработал структурированную методологию, основанную на одной цели: провод всегда должен обрезать как можно ближе к поверхности целевого объекта.

Затем были устранены и все остальные недостатки. Однако без дополнительных устройств такие вычисления всегда попадают в локальные минимумы, что приводит к бессмысленному конечному результату. Чтобы предотвратить это, на первом этапе Дюнсер, так сказать, сгладил функцию проектировки и начал расчет с разреза, который изначально был лишь приблизительно адаптирован к целевой форме. Затем происходил процесс калибровки, пока не была достигнута желаемая точность.

Будущее новой методики и RoboCut

Метод, разработанный Дюнсером, не ограничивается только резкой горячей проволокой. Проектирование траекторий движения инструмента для других технологий резки и фрезерования также может быть полезно в будущем. Этот метод создает гораздо большие возможности для моделирования, особенно при создании сложных неосимметричных форм.

Электроэрозионная обработка проволокой может получить прямую выгоду от этого, поскольку эта технология обеспечивает высокоточную резку электропроводящих материалов с помощью искровой абляции. В будущем это могут быть гибкие электродные провода. Это означает, что, как и в случае резки пластмасс горячей проволокой, более сложные и, следовательно, более эффективные разрезы можно выполнять легче, чем с помощью современных методов.

RoboCut будет тестироваться исследовательской группой EPF Lausanne. С помощью крупномасштабной версии робота для резки горячей проволокой будут разработаны систематические строительные блоки для различных конструкций, не содержащих раствора и технологий крепления. Сами элементы должны прочно держаться вместе. В будущем робота также следует использовать для вырезания объектов из полистирола. Из этого можно сделать вывод, что у этой технологии огромный потенциал.