27/05/2022
Door Ad Spijkers
Met modulaire componenten en een gebruiksvriendelijke 3D-interface stelt deze interactieve ontwerpmethode iedereen in staat zijn eigen aangepaste robothand te creëren.
Robotica-expert kunnen soms maanden besteden aan het ontwerpen van een aangepaste robothand, grotendeels door middel van vallen en opstaan. Elke iteratie kan nieuwe onderdelen vereisen die helemaal opnieuw moeten worden ontworpen en getest. Onderzoekers van het MIT in Cambridge (Massachusetts) hebben een geïntegreerde ontwerpmethode gecreëerd die het proces van het maken van een aangepaste robothand met tactiele sensoren stroomlijnt en vereenvoudigt.
Met de nieuwe methode kan een gebruiker zonder gespecialiseerde kennis snel een aangepaste 3D-printbare robothand maken. Het nieuwe systeem maakt gebruik van een reeks modulaire componenten die gegarandeerd maakbaar zijn. De gebruiker kan het ontwerp van zijn robothand hiermee afstemmen op een specifieke taak (zoals het snijden van papier) en gemakkelijk tactiele sensoren in het prototype opnemen.
Modulair ontwerpen
Net als bij het bouwen met digitale Lego gebruikt een ontwerper de interface om een robotmanipulator te bouwen uit een reeks modulaire componenten. De gebruiker kan de handpalm en vingers van de robothand aanpassen en afstemmen op een specifieke taak. Vervolgens kan hij of zij gemakkelijk tactiele sensoren integreren in het uiteindelijke ontwerp.
Zodra het ontwerp klaar is, genereert de software automatisch 3D-print- en machinale breibestanden voor het vervaardigen van de manipulator. De tactiele sensoren zijn verwerkt in de gebreide handschoen die nauwsluitend over de robothand past. Met deze sensoren kan de manipulator complexe taken uitvoeren, zoals het oppakken van delicate items of het gebruik van gereedschap.
Op deze manier wordt een robothand-ontwerp toegankelijk maakt voor een algemeen publiek. In plaats van maanden of jaren aan een ontwerp te werken en veel geld in prototypes te steken, kan en gebruiker binnen enkele minuten een werkend prototype hebben
Ontwerpproces
Voordat ze aan de methode begonnen te werken, onderzochten de wetenschappers het concept van modulariteit. Ze wilden genoeg componenten maken die gebruikers flexibel konden mixen en matchen, maar niet zo veel dat ze overweldigd werden door keuzes. Ze dachten creatief na over componentfuncties in plaats van vormen, en bedachten zo'n vijftien onderdelen die kunnen worden gecombineerd om biljoenen unieke manipulatoren te maken.
De onderzoekers richtten zich vervolgens op het bouwen van een intuïtieve interface waarin de gebruiker componenten mixt en matcht in een 3D-ontwerpruimte. Een reeks productieregels, ook wel grafiekgrammatica genoemd, bepaalt hoe gebruikers stukken kunnen combineren op basis van de manier waarop elk onderdeel, zoals een gewricht of vingerschacht, in elkaar past. Hiermee kunnen ze ervoor zorgen dat elk ontwerp geldig is, wat betekent dat het fysiek logisch en maakbaar is.
Gemakkelijk aanpassen
Zodra de gebruiker de structuur van de manipulator heeft gemaakt, kan hij of zij de componenten aanpassen om deze aan te passen voor een specifieke taak. Misschien heeft de manipulator bijvoorbeeld vingers met slankere uiteinden nodig om een kantoorschaar te hanteren of gebogen vingers die flessen kunnen vastpakken.
Tijdens deze aanpassingsfase omringt de software elk onderdeel met een digitale kooi. Gebruikers rekken of buigen componenten door de hoeken van elke kooi te slepen. Het systeem beperkt de bewegingen automatisch om ervoor te zorgen dat de stukken nog steeds goed aansluiten en het voltooide ontwerp maakbaar blijft.
Na aanpassing identificeert de gebruiker locaties voor tactiele sensoren. Deze sensoren zijn geïntegreerd in een gebreide handschoen die stevig om de 3D-geprinte robotmanipulator past. De handschoen bestaat uit twee lagen stof: een met horizontale piëzo-elektrische vezels en een andere met verticale vezels. Piëzo-elektrisch materiaal produceert een elektrisch signaal wanneer het wordt ingedrukt. Tactiele sensoren worden gevormd waar de horizontale en verticale piëzo-elektrische vezels elkaar kruisen; ze zetten drukprikkels om in elektrische signalen die gemeten kunnen worden.
De onderzoekers gebruikten handschoenen omdat ze gemakkelijk te installeren, te vervangen en uit te trekken zijn als er iets aan de binnenkant moet worden gerepareerd. Bovendien kan de gebruiker met handschoenen de hele hand bedekken met tactiele sensoren, in plaats van ze in de handpalm of vingers te plaatsen, zoals het geval is met andere robotmanipulators (als ze al tactiele sensoren hebben).
Prototypes
Na voltooiing van de de ontwerpinterface produceerden de onderzoekers aangepaste manipulatoren voor vier complexe taken: een ei oppakken, papier snijden met een schaar, water uit een fles gieten en een vleugelmoer indraaien.
De eieren grijpende manipulator brak of liet het ei nooit vallen tijdens het testen, en de papiersnijmanipulator kon een breder scala aan scharen gebruiken dan enige bestaande robothand die ze in de literatuur konden vinden.
Maar terwijl ze de manipulatoren testten, ontdekten de onderzoekers dat de sensoren veel lawaai maken vanwege het ongelijke weefsel van de gebreide vezels, wat hun nauwkeurigheid belemmert.
Vervolg
De onderzoekers werken nu aan betrouwbaardere sensoren die de prestaties van de manipulator kunnen verbeteren. Ook willen ze het gebruik van aanvullende automatisering onderzoeken. Aangezien de grammaticaregels voor grafieken zijn geschreven op een manier die een computer kan begrijpen, kunnen algoritmen de ontwerpruimte doorzoeken om optimale configuraties voor een taakspecifieke robothand te bepalen. Met autonome productie zou het hele prototypingproces kunnen worden gedaan zonder menselijke tussenkomst.
Foto: Lara Zlokapa