Minimalist robotic grips - design, algorithms, and control of grip systems
רובוטים תעשייתיים, שבהדרגה מחליפים בני אנוש, משמשים באופן עקרוני לביצוע משימות מסוכנות או כאלה שחוזרות על עצמן – בייחוד מטלות שדורשות דרגת דיוק גבוהה. אחת התכונות שנדרשות מרובוטים תעשייתיים היא היכולת לאחוז חפצים שצורתם ושאר תכונותיהם אינן ידועות מראש. זה האתגר שעומד במרכז מחקרים של פרופ' אמיר שפירא מהמחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, ופרופ' אילון רימון מהפקולטה להנדסת מכונות מהטכניון שבחיפה, ואשר משתתפים בו בין היתר יואב גולן מאוניברסיטת בן-גוריון והלל בוניס מהטכניון.
When we pick up a pen that has fallen on the floor or hold a glass of water, we do not think about the complexity inherent in these seemingly simple actions, but it is not a simple task to design a robotic hand that will perform these tasks simply and efficiently. The human hand holding a certain object activates more than 30 muscles, and in order to design a robotic hand that will accurately imitate the way our hand works, a motor is needed for each muscle. Technion and Ben Gurion University of the Negev scientists aim to develop an efficient, cheap and convenient robotic hand for industrial use as possible, in a minimalist high school - using only one motor.
It turns out that a simple hand, with only two fingers that can open and close, can grasp a very wide variety of objects, but it is necessary to find out exactly where these fingers should be placed on an object whose shape is not known in advance, so that it is grasped effectively and does not cause damage. This research has two aspects: a mechanical aspect and an algorithmic aspect.
מבחינת הצד המכני, המחקר כולל שני חידושים. הראשון מביניהם הוא תיכון של אצבעות שיכולות לעבור לסירוגין בין אחיזה נטולת חיכוך לאחיזה עם חיכוך. בזכות מנגנון נעילה קפיצי המצוי בתוך כל אצבע, שצורתה גלילית, היד יכולה לאחוז בעצם כלשהו בשתי צורות: ללא חיכוך, כלומר בלי כוח שפועל בין האצבעות לגוף, ובעת הצורך – כשמנגנון הנעילה מופעל – האחיזה חזקה וכרוכה בחיכוך. מנגנון זה מונע "תקיעה" של העצם בעת הניסיון לאחוז בו ומשפר את איכות האחיזה. החידוש המכני השני מאפשר ליד הרובוטית להסתפק במנוע אחד בלבד, בזכות היכולת שלה לשנות את צורתה בעזרת הסביבה, עוד לפני האחיזה עצמה. מדובר למעשה בהוספת שלב נוסף לתהליך האחיזה, שלב המתקיים טרם הנגיעה בחפץ, שבמסגרתו אפשר לשנות – בעזרת הצמדת היד לקיר למשל – תכונות שונות של האצבעות (למשל הזוויות שלהן ומרחקן מהאמצע) באופן שיאפשר להן לתפוס כל עצם שהוא. צוות המחקר פיתח שיטה לביצוע מהיר ויעיל של שלב הכנה נוסף זה.ההיבט האלגוריתמי קשור לשאיפה לתפוס את העצם באופן היעיל ביותר, באמצעות כיתורו בין האצבעות ויצירת מעין כלוב סביבו.
The algorithmic aspect is related to the aspiration to grasp the bone in the most efficient way, by encircling it between the fingers and creating a sort of cage around it. The purpose of the algorithms is to determine where we should place our fingers around the bone,
depending on its geometry, so that on the one hand it will not be crushed, and on the other hand it will not fall from the robotic hand. For this purpose it is important to know all the possible movements that the object may make in space and all the possibilities of the fingers to block these movements, as a function of their exact positions on it.
To this end, the research team developed a graphical search method that would allow identifying the points where the fingers should be positioned, in order to obtain a successful cage grip and predict what will happen after the fingers are closed. One of the goals was to find the contact points with the maximum distance between the fingers that does not allow the bone to escape: the greater the distance, the greater the error in the initial grasping of the bone by the robotic hand. Computer simulations demonstrate the operation of these algorithms on bodies of various shapes, and in the end the algorithms and the mechanical system are tested in real experiments. In the experiments conducted so far - with the help of a research grant from the National Science Foundation - the robotic hand was able to grasp a wide variety of bodies, in a satisfactory manner. The interim results of the study indicate that a multi-motor hand is not needed to achieve a complex and safe grip, and that it is possible to be satisfied with a simpler system that relies on a correct algorithm to perform quality grips.
More of the topic in Hayadan:
