Jak nauczyć robota pieprzyć?

W panteonie technologii, które umożliwiają nasze nowoczesne społeczeństwo, jednym z najbardziej niedocenianych i zaniedbanych jest łącznik gwintowany, powszechnie znany jako śruba. Technologia ta pojawiła się na początku ery przemysłowej, kiedy stało się możliwe wytwarzanie takich metalowych gadżetów na dużą skalę.

Dziś te urządzenia dosłownie spajają świat. Nasz styl życia w XXI wieku nie byłby bez nich możliwy i prawdopodobnie odegrają one niezbędną rolę w dającej się przewidzieć przyszłości.

Jednak w świecie, w którym techniki produkcyjne są coraz bardziej zautomatyzowane, pojawia się problem. Proces wkręcania i odkręcania nadal jest procesem, w którym ludzie przewyższają maszyny. Urządzenia zrobotyzowane mają trudności ze zlokalizowaniem śrub i ich gniazd, a następnie skutecznym manipulowaniem śrubami i śrubokrętami.

Siły osiowe działające podczas wkręcania i wykręcania okazują się proporcjonalne do momentu obrotowego.

Wchodzi Dima Mironov i jego współpracownicy z Instytutu Nauki i Technologii Skolkovo w Moskwie, którzy chcą zautomatyzować proces dla inteligentnych fabryk przyszłości.

Ich plan jest prosty. Wykorzystując dotyk, badanie zmysłu dotyku, Mironov i spółka chcą zrozumieć, w jaki sposób ludzie wykonują te zadania, a następnie budować roboty wykorzystujące tę samą technikę. A ich praca odkryła fundamentalne prawo wkręcania (i odkręcania), które zaczyna to umożliwiać.

Ludzie używają dwóch różnych rodzajów siły, aby wbić śrubę lub ją uwolnić. Najpierw wywierają nacisk lub siłę osiową, aby wcisnąć śrubę w gniazdo. Wywierają również siłę lub moment obrotowy, aby obrócić śrubę. Wymagany moment obrotowy zależy od tarcia między śrubą a materiałem gniazda, a także od stanu gwintu.

Kluczowym problemem przy wkręcaniu jest to, jak uniknąć cam-outów, w których śrubokręt traci przyczepność do łba śruby i ślizga się. Dlatego Mironov i spółka są szczególnie zainteresowani tym, jak ludzie tego unikają.

Aby to zbadać, zespół zbudował urządzenie do pomiaru zarówno siły osiowej, jak i momentu obrotowego z rozdzielczością poniżej 0,1 niutona w kierunku osiowym i momentu obrotowego 0,003 niutonometra.

Następnie poprosili 10 mężczyzn i kobiet o kilkakrotne wkręcenie małej śruby – takiej, jakiej używa się do montażu smartfonów – w trzymilimetrowym gnieździe. Śruby miały albo łeb krzyżakowy, albo łeb sześciokątny. Zespół następnie zmierzył zaangażowane siły.

Okazuje się, że aby skutecznie wkręcać i odkręcać, człowiek przykłada siłę osiową, która jest proporcjonalna do momentu obrotowego. Podczas wkręcania siła ta osiąga maksimum na końcu napędu; ten wzór odwraca się podczas odkręcania.

Występuje również okresowość tych sił, która pochodzi od ludzi zmieniających chwyt, gdy obracają ręce i ponownie angażują się w śrubę. Tak więc Mironov i spółka po prostu patrzą na maksymalną siłę wywieraną podczas każdego skrętu.

W ten sposób odkryli uniwersalny wzór sił wkręcania i wykręcania, które mogą z powodzeniem wkręcać lub wykręcać wkręt. Wyniki pokazują, że ludzie przykładają siłę osiową do śrub, aby uniknąć ślizgania się śrubokręta (krzywki), a ta siła osiowa jest proporcjonalna do momentu obrotowego wymaganego do wkręcenia, mówią Mironov i spółka.

Zespół odkrył również, że wymagana siła zależy od rodzaju łba śruby: śruby z łbem krzyżakowym wymagają znacznie większej siły osiowej, aby uniknąć cam-outów niż śruby z łbem sześciokątnym. Tak więc przy tej samej sile osiowej łby sześciokątne są mniej podatne na poślizg niż łby Phillips.

Wreszcie Mironov i współpracownicy zaprogramowali robota, aby odtworzyć ten sam układ sił. Ten robot jest wyposażony w śrubokręt, chwytak do trzymania śruby oraz wizjer maszynowy do zlokalizowania śruby w gnieździe.

Następnie zespół zmierzył siły, gdy robot wykonywał swoją pracę, zwracając szczególną uwagę na cam-outy, które pojawiają się jako nagły spadek sił. Po wykryciu cam-out robot zwiększa siłę osiową i kontynuuje pracę.

Robot dobrze się spisał. Wyniki zrobotyzowanego odkręcania zgadzają się z wynikami eksperymentów na ludziach i pokazują uniwersalność warunków udanego odkręcania, mówią Mironov i spółka.

Badacze ci są częścią robotów budujących zespół, które mogą rozbierać na części urządzenia elektroniczne, takie jak smartfony, w celu recyklingu. Projekt nosi nazwę RecyBot, a jego celem jest stworzenie szybkiego, inteligentnego systemu robotycznego do demontażu elektroniki.

To niemałe wyzwanie, a jeden z największych bólów głowy odkręca się. Więc zespół przynajmniej ma to za pasem. Ale ta sama technologia może być zastosowana w wielu inteligentnych fabrykach, które muszą montować i demontować komponenty.

Tak czy inaczej, skromna śruba wydaje się odgrywać równie ważną rolę w przyszłości, jak w przeszłości.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1801.10386 : Haptyka wkręcania i odkręcania do zastosowania w inteligentnych fabrykach do demontażu

ukryć