大学教育网

机器人机械手设计的帮手

导读 借助模块化组件和易于使用的 3D 界面,这种交互式设计流程使任何人都可以创建自己的定制机械手。麻省理工学院的研究人员创建了一个交互式...

借助模块化组件和易于使用的 3D 界面,这种交互式设计流程使任何人都可以创建自己的定制机械手。

麻省理工学院的研究人员创建了一个交互式设计管道,简化并简化了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定制机械手,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,这个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搭建类似,设计师使用该界面从一组保证可制造的模块化组件构建机器人操纵器。用户可以调整机械手的手掌和手指,使其适应特定任务,然后轻松地将触觉传感器集成到最终设计中。

设计完成后,软件会自动生成用于制造机械手的 3D 打印和机器编织文件。触觉传感器通过紧密贴合在机器人手上的针织手套结合在一起。这些传感器使机械手能够执行复杂的任务,例如拾取精致物品或使用工具。

“这条管道最令人兴奋的事情之一是它使普通观众能够接触到设计。无需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,您可以在几分钟内拥有一个工作原型,”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。

在论文中加入 Zlokapa 的还有她的顾问 Pulkit Agrawal,计算机科学和人工智能实验室 (CSAIL) 教授,以及电气工程和计算机科学教授 Wojciech Matusik。其他合著者包括 CSAIL 研究生罗依月和徐杰、机械工程师 Michael Foshey 和腾讯高级研究科学家吴奎。该研究正在国际机器人与自动化会议上发表。

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。她想创建足够多的组件,让用户可以灵活地混合和匹配,但又不会太多,以至于他们被选择所淹没。

她创造性地考虑了组件的功能,而不是形状,并提出了大约 15 个可以组合成数万亿个独特机械手的部件。

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(例如关节或手指轴)组合在一起的方式组合零件。

“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,那么语法可能类似于‘红色积木只能放在蓝色积木上面’和‘蓝色积木不能放在上面’的绿色块。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并且您可以制造它,”她解释道。

一旦用户创建了操纵器结构,他们就可以对组件进行变形以针对特定任务对其进行自定义。例如,机械手可能需要尖端更细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。用户通过拖动每个笼子的角来拉伸或弯曲组件。该系统会自动约束这些运动,以确保零件仍然正确连接,并且完成的设计仍然可以制造。

像手套一样合身

定制后,用户识别触觉传感器的位置。这些传感器集成在编织手套中,可牢固地安装在 3D 打印机器人机械手周围。手套由两层织物组成,一层包含水平压电纤维,另一层包含垂直纤维。压电材料在受到挤压时会产生电信号。触觉传感器形成在水平和垂直压电纤维相交的地方;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其中的任何东西,它们也易于取下,”Zlokapa 解释道。

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操纵器那样将它们嵌入手掌或手指中(如果它们有触觉传感器的话)。

设计界面完成后,研究人员为四项复杂任务制作了定制机械手:捡鸡蛋、用剪刀剪纸、从瓶子里倒水和拧入蝶形螺母。例如,蝶形螺母操纵器有一个加长和偏移的手指,防止手指在转动时与螺母碰撞。这种成功的设计只需要两次迭代。

抓蛋机械手在测试过程中从未打破或掉落鸡蛋,剪纸机械手可以使用比文献中现有的任何机械手更广泛的剪刀。

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音,这会影响其准确性。他们现在正在研究可以提高机械手性能的更可靠的传感器。

研究人员还想探索额外自动化的使用。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任务机器人手的最佳配置。Zlokapa 说,通过自主制造,整个原型制作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,我们可以回答这个问题,‘人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,但它是朝着这个方向迈出的一步,”她说。

“这篇论文提出了一个令人兴奋的想法和一个优雅的系统设计,”卡内基梅隆大学机器人研究所助理教授袁文振说,他没有参与这项研究。“在这个机器人的定制化和多功能性非常重要的新时代,它提供了一种思考机器人设计的新方式。它在机械设计、计算机图形学和计算制造之间架起了一座很好的桥梁。我可以预见该系统的许多应用以及该方法的巨大潜力。”