Как рассчитать скоординированные движения двух манипуляторов, чтобы они могли точно направлять очень гибкий инструмент? Исследователи ETH объединили все аспекты расчетов оптимизации в алгоритм. Кроме всего прочего, для создания строительных блоков конструкции, не требующей использования раствора, будет использоваться терморезка.

Новорожденный двигает руками и кистями в значительной степени ненаправленным и случайным образом. Он должен научиться координировать их шаг за шагом. Требуются годы практики, чтобы овладеть тонко сбалансированными движениями скрипача или каллиграфа. Поэтому неудивительно, что расширенные расчеты оптимального движения двух манипуляторов робота для точного направления инструмента включают чрезвычайно сложные задачи оптимизации. Сложность также сильно возрастает, когда сам инструмент не жесткий, а гибкий во всех направлениях и по-разному изгибается в зависимости от его положения и движения.

Саймон Дюнсер из исследовательской группы Стелиана Короса в Институте интеллектуальных интерактивных систем работал с другими исследователями над разработкой горячейпроволока робот-резак с проволокой, которая гибко изгибается во время работы. Это позволяет создавать гораздо больше сложные формы при значительно меньшем количестве разрезов, чем в предыдущих системах, где электрически нагреваемая проволока является жесткой и, таким образом, может резать линейчатые поверхности из плавких пластиков только по прямой линии в каждой точке.

Вырезание кроликов и проектирование фасадов

В отличие от этого, RoboCut от ученых-компьютерщиков ETH не ограничивается плоскостями, цилиндрами, конусами или седловыми поверхностями, но также может создавать канавки в пластиковом блоке. Однако самым большим преимуществом является то, что целенаправленный изгиб проволоки означает, что требуется гораздо меньше разрезов, чем если бы целевая форма должна была быть аппроксимирована с использованием линейчатых поверхностей. В результате гибкая проволока может быть использована для создания фигурки сидящего кролика из полистиролового блока всего за десять разрезов с точностью резьбы по дереву. Очертания кролика становятся четко узнаваемыми уже после двух разрезов.

В дополнение к фундаментальному усовершенствованию традиционных методов горячей проволоки, проект RoboCut также имеет в виду другие конкретные прикладные цели. Например, в будущем технология может быть использована в архитектуре для изготовления индивидуальных форм из полистирола для бетонных изделий. Это позволит разнообразить дизайн фасадов и разработать новые типы модульных строительных систем.

Три связанные оптимизации одновременно

Для Дюнсера научные задачи были в центре внимания проекта. «Сложные расчеты оптимизации — это то, что делает RoboCut особенным. Они необходимы для поиска наиболее эффективных возможных траекторий движения инструмента при максимально точном плавлении желаемой формы из блока полистирола», — объясняет ученый.

Для контролируемого перемещения провода его прикрепили к двурукому роботу Yumi от ABB. Во-первых, реакция провода на движения руки робота надо было вычислить. Положения, которые могли привести к нестабильному размещению проволоки или где существовал риск обрыва проволоки, были определены с помощью моделирования, а затем устранены.

Затем исследователи ETH смогли разработать реальную оптимизацию на этой основе. Это должно было одновременно учитывать три взаимосвязанных аспекта. На физическом уровне было важно спрогнозировать контролируемый изгиб и движение проволоки, чтобы выполнить нужные разрезы. Что касается формы, необходимо было определить последовательность резки, которая бы обеспечивала очень точное приближение поверхности к заданной форме за минимальное количество шагов. Наконец, необходимо было исключить столкновения с частями робота или окружающей средой, а также непреднамеренные порезы.

Предотвращение плохих минимумов

Дюнсер — один из первых ученых, которому удалось интегрировать все параметры этой сложной задачи в алгоритм глобальной оптимизации. Для этого он разработал структурированную методологию, основанную на основной цели, заключающейся в том, что проволока всегда должна резаться как можно ближе к поверхности целевого объекта. Затем всем другим ограничениям были назначены затраты, и они были оптимизированы в целом.

Однако без дополнительных приспособлений такие расчеты всегда попадают в локальные минимумы, что приводит к бессмысленному конечному результату. Чтобы предотвратить это, Дюнсер на первом этапе, так сказать, сгладил функцию стоимости и начал расчет с разреза, который изначально был лишь приблизительно адаптирован к заданной форме. Затем моделирование резки постепенно приближалось к заданной форме, пока не была достигнута желаемая точность.

Метод с универсальным потенциалом

Метод, разработанный Dünser, не ограничивается только резкой горячей проволокой. Проектирование траекторий движения инструмента для других технологий резки и фрезерования также может выиграть от этого в будущем. Этот метод создает гораздо большие возможности для моделирования, особенно при создании сложных невращательно-симметричных форм.

Электроэрозионная обработка с проволокой может принести непосредственную пользу от этого, поскольку эта технология позволяет выполнять высокоточную резку электропроводящих материалов с помощью искровой абляции. В будущем это может включать гибкие электродные проволоки. Это означает, что, как и при резке пластмассы горячей проволокой, более сложные и, следовательно, более эффективные разрезы могут быть выполнены легче, чем с помощью современной жесткой проволоки.

Одно конкретное приложение для RoboCut планируется совместно с исследовательской группой из EPF Lausanne. С помощью крупномасштабной версии робота для резки горячей проволоки систематически строительные блоки для строительных конструкций без раствора и будут разработаны технологии крепления. Сами элементы должны прочно удерживаться вместе. В будущем робот также должен использоваться для резки форм из полистирола, с помощью которых различные кирпичи отливаются в бетон. Таким образом, умный резак для пластмасс создает технологию строительства бетона завтрашнего дня.