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机器人机械手设计的帮手

来源:技术茂

时间:2022-05-26

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近日,据外媒报道,麻省理工学院的研究人员创建了一个交互式设计管道,可以简化使用触觉传感器制作定制机器人手的过程。通常,机器人专家可能会花费数月时间手动设计自定义机械手,主要是通过反复试验。每次迭代都可能需要必须从头开始设计和测试的新部件。相比之下,这种新管道不需要任何手动组装或专业知识。

与使用数字乐高积木进行构建类似,设计师使用该界面从一组模块化组件构建机器人机械手,这些组件保证可制造。用户可以调整机器人手的手掌和手指,根据特定任务进行定制,然后轻松地将触觉传感器集成到最终设计中。

设计完成后,软件会自动生成3D打印和机器编织文件,用于制造机械手。触觉传感器通过针织手套集成在一起,该手套紧贴在机器人手上。这些传感器使机械手能够执行复杂的任务,例如拾取精致的物品或使用工具。

“这个管道最令人兴奋的事情之一是,它使普通观众可以进行设计。与其花费数月或数年的时间进行设计,并在原型上投入大量资金,不如在几分钟内完成一个工作原型,“主要作者Lara Zlokapa说,她将于今年春天毕业,获得机械工程硕士学位。

加入Zlokapa的还有她的导师Pulkit Agrawal,计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)教授,以及Wojciech Matusik,电气工程和计算机科学教授。其他合著者包括CSAIL研究生Yiyue Luo和Jie Xu,机械工程师Michael Foshey和腾讯美国公司高级研究科学家Kui Wu。该研究将在机器人与自动化国际会议上发表。

考虑模块化

在开始管道工作之前,Zlokapa停下来考虑模块化的概念。她希望创建足够的组件,以便用户可以灵活地混合和匹配,但又不想太多,以至于他们被选择所淹没。

她创造性地思考了组件功能,而不是形状,并提出了大约15个部件,可以组合成数万亿个独特的操纵器。

然后,研究人员专注于构建一个直观的界面,用户可以在其中混合和匹配3D设计空间中的组件。一组生产规则(称为图形语法)控制用户如何根据每个组件(如关节或指轴)组合在一起的方式组合各个部分。

“如果我们把它想象成一个乐高套件,你可以把不同的积木放在一起,那么语法可能是'红色积木只能放在蓝色积木之上'和'蓝色积木不能放在绿色积木之上'。图形语法使我们能够确保每个设计都是有效的,这意味着它具有物理意义,您可以制造它,“她解释道。

用户创建操纵器结构后,可以变形组件以针对特定任务对其进行自定义。例如,也许机械手需要具有更纤细尖端的手指来处理办公室剪刀或可以抓住瓶子的弯曲手指。

在这个变形阶段,软件用数字笼子包围每个组件。用户通过拖动每个保持架的角来拉伸或弯曲零部件。系统会自动约束这些运动,以确保工件仍然正确连接,并且成品设计仍然可制造。

像手套一样合身

自定义后,用户识别触觉传感器的位置。这些传感器被集成到一个针织手套中,可以牢固地安装在3D打印的机器人操纵器周围。手套由两层织物组成,一层包含水平压电光纤,另一层包含垂直光纤。压电材料在挤压时产生电信号。触觉传感器是在水平和垂直压电光纤相交的地方形成的;它们将压力刺激转换为可以测量的电信号。

“我们使用手套是因为它们易于安装,易于更换,并且如果我们需要修理内部的任何东西,则易于摘下,”Zlokapa解释说。

此外,戴上手套,用户可以用触觉传感器覆盖整个手,而不是像其他机器人机械手(如果他们有触觉传感器)那样将它们嵌入手掌或手指中。

随着设计界面的完成,研究人员为四项复杂任务制作了定制机械手:捡起鸡蛋,用剪刀剪纸,从瓶子里倒水,拧进翼形螺母。例如,翼形螺母机械手有一个加长和偏移的手指,这可以防止手指在转动时与螺母碰撞。成功的设计只需要两次迭代。

在测试过程中,抓蛋机械手从未弄断或掉落过鸡蛋,剪纸机械手可以使用比他们在文献中找到的任何现有机器人手更广泛的剪刀。

但在测试机械手时,研究人员发现,由于针织纤维的编织不均匀,传感器会产生大量噪声,这阻碍了它们的准确性。他们现在正在研究更可靠的传感器,以提高机械手的性能。

研究人员还希望探索使用额外的自动化。由于图形语法规则是以计算机可以理解的方式编写的,因此算法可以搜索设计空间以确定特定于任务的机器人手的最佳配置。Zlokapa说,通过自主制造,整个原型设计过程可以在没有人为干预的情况下完成。

“现在我们有了让计算机探索这个设计空间的方法,我们可以努力回答这样一个问题,'人类的手是完成日常任务的最佳形状吗?也许有更好的形状?或者,也许我们想要更多或更少的手指,或者指向不同方向的手指?这项研究并没有完全回答这个问题,但这是朝着这个方向迈出的一步,“她说。

这项工作部分得到了丰田研究所,国防高级研究计划局和亚马逊机器人研究奖的支持。


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