Osav robotlõikamine

Original: http://robotics.cs.iastate.edu/ResearchRoboticCutting.shtml

Robootika labor

Arvutiteaduse osakond | Iowa osariigi ülikool

Kodurobotid on avalikkust juba ammu köitnud. Need on elukvaliteedi tehnoloogia keskmes, kandes kõrgeid lubadusi inimeste igapäevastest töödest vabastamiseks ning pakkudes kostefektiivset tervishoiuteenust kasvavale eakale elanikkonnale ja puuetega inimestele. Köögioskuste automatiseerimine on kodurobootika oluline osa ja ühtlasi robotite üks ülim test inimväärse osavuse saavutamiseks. Vaatamata selle olulisusele ja atraktiivsusele on robotlik köögiabi piirdunud tänapäevani nõudepesu ja sorteerimisega ning inimese valmistatud toiduainete küpsetamisega.

Selles töös kasutatakse jõu/pöördemomendi anduriga varustatud 2-DOF robotkäsi objekti läbilõikamiseks kolme käiguna: vajutage, lükake ja viilutage. Iga käigu jaoks on Dekarteesia ruumis loodud eraldi juhtimisstrateegia, mis sisaldab kontakti- ja/või jõupiiranguid, järgides mõnda ette nähtud trajektoori.

Nuga liikumise mehaanika ja juhtimine

Lõikamise ajal saab iga noa lõpmatu väike element elemendist jõu df=dfC+dfU+dfF. dfC tehtud töö annab objektile uue murdumise, mis dfU põhjustab objekti tüveenergia kasvu (või vähenemist) ja et dfF hajub läbi hõõrdumine. Mõned toidud, nagu näiteks kartulid ja jamsid, ei pea lõikamise ajal vaevalt toime, seega eeldus dfU = 0 saab rakendada.

Murdumisjõu ja hõõrdejõu saab arvutada järgmiselt:

milles integraalne intervall S on esemega kokkupuutuv noatera ja Φ nuga ja eseme ristlõige. μκ, ja P on vastavalt hõõrdetegur, purunemiskindlus ja rõhujaotus. (βx,βy)T kirjeldab noa kaljukõverat maailma raamis u on noatera kohalik x-kooridinaat.

Faas Kontorller
Vajutage
  • Kindla purunemissageduse saavutamiseks asetage juhtimine y-suunas
  • Sundige juhtimist, et hoida noa pidevat orientatsiooni

kus

on üldistatud piirangujõud, näiteks noa pöörlemine.

Lükake
  • Jõudu juhtida y-suunas, kuni noaplaadi kontaktjõud jõuab soovitud tasemeni

kus

sama mis pressimisfaas.

Viil
  • Asetage juhtimine x-suunas, et saavutada stabiilne lõikamine
  • Jõu juhtimine kontakti jõu taseme säilitamiseks y-suunas

kus

Kolmes kontrolleris on, M massimaatriks, La ja Lc on koordinaatide teisendamiseks jaakobid ning Na ja Nc hõlmavad Coriolise, tsentrifugaal- ja gravitatsiooniefekte ning välist mutrivõtit.

Meie katses kasutati 6-teljelise F/T anduriga varustatud WAM-kätt. Paigaldasime noatera ja selgroo polünoomide abil, mida kasutati noa madalaima punkti ning nuga ja eseme ristlõike jälgimiseks. Eseme kontuur sobitati Microsoft Kinecti anduri abil saadud punktide kohale (piisavalt lähedal lõiketasapinnale). Murdumisjõu ja hõõrdejõu arvutamiseks mõõtsime ka kartuli ja sibula fritsitoni, purunemiskindluse ja rõhu häirimise koefitsienti.

Ülaltoodud joonis näitab sibula lõikamise katsetulemusi. Mõlemad punktidest (a)–(d) illustreerivad kõiki kolme lõikefaasi. Punktis (a) ordinaat ya käe vabast otsast järgib soovitud trajektoori yd vajutamise ajal ja noa-laua kontakti abstsiss xc järgib soovitud trajektoori xd. Punktis (b) jääb õlavarre (seega noa) orientatsioon θ12 kahes esimeses faasis peaaegu konstantseks, kuid suureneb kolmandas faasis. Punktis (c) on modelleeritud hõõrdejõud fF ja murdumisjõud fliidetakse tajutava jõu lähedale fpressimisfaasis, välja arvatud iga kord, kui nuga siseneb sibulas uude kihti. Viilutamisfaasis on modelleeritud jõud y-suunas väga väike, kuna noa iga punkt liigub peaaegu x-suunas. Punktis (d) on kontaktjõu järsu muutuse põhjustanud suur vahe soovitud jõu ja tegeliku jõu vahel. Kontaktjõud koondub kiiresti soovitud väärtuseni ja varieerub väikeses vahemikus. Nende katsete tulemusi ja muud saab vaadata YouTube’i videost lehe ülaosas (link).

Lõike modelleerimine murdemehaanika ja FEM põhjal

Murdumise ja deformatsiooni modelleerimine lõikamise ajal, mis põhineb sageli lõplike elementide meetodil (FEM), annab jõu ja kuju teabe, mida kasutatakse noa juhtimisel, et rakendada sellist oskust nagu viil, tükeldamine või täring. Kuid objekti 3D-võrgusilma mudel võib soovitud täpsuse saavutamiseks arvutuslikult takistada, kuna noa liikuva serva lähedal tuleb kasutada arvukalt väikeseid elemente. Selle probleemi lahendamiseks esindame objekti lõiketasapinnale normaalsete ühtlaselt jaotatud viiludena, nii et 3D-modelleerimise ülesanne taandatakse mitmeks 2D-modelleerimisülesandeks. Iga ülesanne on lahendatav sama FEM-protseduuri abil ning seejärel saab purunemise ja jõu interpoleerida iga kahe külgneva viilu vahel. Katse Adepti käe ja ATI jõu/pöördemomendi (F/T) anduriga, mis viidi läbi viie toiduainega, on näidanud head sobivust nuga modelleeritud jõu, pöördemomendi ja töö ning kuue telje jõu/pöördemomendi andur.

Lisateabe saamiseks vaadake järgmist esitust:


Selle materjali aluseks on riikliku teadusfondi toetuse IIS-1651792 alusel toetatud töö.
Kõik selles materjalis väljendatud arvamused, järeldused ja järeldused või soovitused on autori (te) omad ja need ei kajasta tingimata Riikliku Teadusfondi seisukohti. 

Viimati uuendatud 11. juulil 2020.