Un aiuto per la progettazione di manipolatori robotici
Con componenti modulari e un’interfaccia 3D facile da usare, questa pipeline di progettazione interattiva consente a chiunque di creare la propria mano robotica personalizzata.
I ricercatori del MIT hanno creato una pipeline di progettazione interattiva che snellisce e semplifica il processo di creazione di una mano robotica personalizzata con sensori tattili.
In genere, un esperto di robotica può dedicare mesi alla progettazione manuale di un manipolatore personalizzato, in gran parte per tentativi ed errori. Ogni iterazione potrebbe richiedere nuove parti che devono essere progettate e testate da zero. Al contrario, questa nuova pipeline non richiede alcun assemblaggio manuale o conoscenze specialistiche.
Simile alla costruzione con i LEGO digitali, un designer utilizza l’interfaccia per costruire un manipolatore robotico da un insieme di componenti modulari che sono garantiti per essere fabbricabili. L’utente può regolare il palmo e le dita della mano robotica, adattandola a un’attività specifica, e quindi integrare facilmente i sensori tattili nel progetto finale.
Una volta terminato il progetto, il software genera automaticamente file di stampa 3D e lavorazione a macchina per la produzione del manipolatore. I sensori tattili sono incorporati attraverso un guanto in maglia che si adatta perfettamente alla mano robotica. Questi sensori consentono al manipolatore di eseguire compiti complessi, come raccogliere oggetti delicati o utilizzare strumenti.
“Una delle cose più interessanti di questa pipeline è che rende il design accessibile a un pubblico generale. Invece di passare mesi o anni a lavorare su un progetto e investire un sacco di soldi in prototipi, puoi avere un prototipo funzionante in pochi minuti”, afferma l’autrice principale Lara Zlokapa, che si laureerà questa primavera con il suo master in ingegneria meccanica.
Insieme a Zlokapa nel documento ci sono i suoi consulenti Pulkit Agrawal, professore al Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), e Wojciech Matusik, professore di ingegneria elettrica e informatica. Altri coautori includono gli studenti laureati CSAIL Yiyue Luo e Jie Xu, l’ingegnere meccanico Michael Foshey, e Kui Wu, ricercatore senior presso Tencent America. La ricerca viene presentata alla Conferenza Internazionale sulla Robotica e l’Automazione.
Rimuginando sulla modularità
Prima di iniziare a lavorare sulla pipeline, Zlokapa si è soffermata a considerare il concetto di modularità. Voleva creare un numero sufficiente di componenti che gli utenti potessero combinare e abbinare con flessibilità, ma non così tanti da essere sopraffatti dalle scelte.
Ha pensato in modo creativo alle funzioni dei componenti, piuttosto che alle forme, e ha inventato circa 15 parti che possono combinarsi per creare trilioni di manipolatori unici.
I ricercatori si sono quindi concentrati sulla costruzione di un’interfaccia intuitiva in cui l’utente mescola e abbina i componenti in uno spazio di progettazione 3D. Un insieme di regole di produzione, note come grammatica dei grafici, controlla il modo in cui gli utenti possono combinare i pezzi in base al modo in cui ogni componente, come un giunto o un’asta del dito, si adattano insieme.
“Se pensiamo a questo come a un kit LEGO in cui hai diversi blocchi da costruire che puoi mettere insieme, allora la grammatica potrebbe essere qualcosa del tipo ‘i blocchi rossi possono andare solo sopra i blocchi blu’ e ‘i blocchi blu non possono andare in cima di blocchi verdi.’ La grammatica dei grafici è ciò che ci consente di garantire che ogni progetto sia valido, il che significa che ha un senso fisico e puoi realizzarlo”, spiega.
Una volta che l’utente ha creato la struttura del manipolatore, può deformare i componenti per personalizzarla per un’attività specifica. Ad esempio, forse il manipolatore ha bisogno di dita con punte più sottili per maneggiare le forbici da ufficio o dita curve che possono afferrare le bottiglie.
Durante questa fase di deformazione, il software circonda ogni componente con una gabbia digitale. Gli utenti allungano o piegano i componenti trascinando gli angoli di ciascuna gabbia. Il sistema vincola automaticamente questi movimenti per garantire che i pezzi si colleghino ancora correttamente e il progetto finito rimanga realizzabile.
Si adatta come un guanto
Dopo la personalizzazione, l’utente identifica le posizioni per i sensori tattili. Questi sensori sono integrati in un guanto lavorato a maglia che si adatta saldamente al manipolatore robotico stampato in 3D. Il guanto è composto da due strati di tessuto, uno che contiene fibre piezoelettriche orizzontali e un altro con fibre verticali. Il materiale piezoelettrico produce un segnale elettrico quando viene schiacciato. I sensori tattili si formano dove si intersecano le fibre piezoelettriche orizzontali e verticali; convertono gli stimoli di pressione in segnali elettrici che possono essere misurati.
“Abbiamo usato i guanti perché sono facili da installare, facili da sostituire e facili da togliere se dobbiamo riparare qualcosa al loro interno”, spiega Zlokapa.
Inoltre, con i guanti, l’utente può coprire l’intera mano con sensori tattili, anziché incorporarli nel palmo o nelle dita, come nel caso di altri manipolatori robotici (se dispongono di sensori tattili).
Con l’interfaccia di progettazione completa, i ricercatori hanno prodotto manipolatori personalizzati per quattro compiti complessi: raccogliere un uovo, tagliare la carta con le forbici, versare acqua da una bottiglia e avvitare un dado ad alette. Il manipolatore del dado ad alette, ad esempio, aveva un dito allungato e sfalsato, che impediva al dito di entrare in collisione con il dado mentre girava. Quel design di successo ha richiesto solo due iterazioni.
Il manipolatore per afferrare le uova non ha mai rotto o lasciato cadere l’uovo durante i test e il manipolatore del taglio della carta potrebbe utilizzare una gamma più ampia di forbici rispetto a qualsiasi mano robotica esistente che potrebbero trovare in letteratura.
Ma mentre hanno testato i manipolatori, i ricercatori hanno scoperto che i sensori creano molto rumore a causa della trama irregolare delle fibre lavorate a maglia, che ne ostacola la precisione. Ora stanno lavorando su sensori più affidabili che potrebbero migliorare le prestazioni del manipolatore.
I ricercatori vogliono anche esplorare l’uso dell’automazione aggiuntiva. Poiché le regole grammaticali dei grafi sono scritte in un modo che un computer può comprendere, gli algoritmi potrebbero cercare nello spazio di progettazione per determinare le configurazioni ottimali per una mano robotica specifica per un’attività. Con la produzione autonoma, l’intero processo di prototipazione potrebbe essere eseguito senza l’intervento umano, afferma Zlokapa.
“Ora che abbiamo un modo per esplorare questo spazio di progettazione con un computer, possiamo lavorare per rispondere alla domanda: ‘La mano umana è la forma ottimale per svolgere le attività quotidiane?’ Forse c’è una forma migliore? O forse vogliamo più o meno dita, o dita che puntano in direzioni diverse? Questa ricerca non risponde pienamente a questa domanda, ma è un passo in quella direzione”, afferma.
Questo lavoro è stato sostenuto, in parte, dal Toyota Research Institute, dalla Defense Advanced Research Projects Agency e da un Amazon Robotics Research Award.
