Hvordan lære en robot å skru

I pantheonet av teknologier som gjør vårt moderne samfunn mulig, er en av de mest undervurderte og forsømte den gjengede festeanordningen, mer kjent som skruen. Denne teknologien dukket opp i begynnelsen av den industrielle æra, da det ble mulig å lage metalldingser som disse i stor skala.

I dag holder disse enhetene bokstavelig talt verden sammen. Vår livsstil i det 21. århundre ville ikke vært mulig uten dem, og de vil sannsynligvis spille en uunnværlig rolle i overskuelig fremtid.

Men i en verden der produksjonsteknikker blir stadig mer automatiserte, er det et problem. Prosessen med å skru og skru av er fortsatt en prosess der mennesker utkonkurrerer maskiner. Robotenheter har problemer med å finne skruer og deres fatninger og deretter manipulere skruer og skrutrekkere effektivt.

De aksiale kreftene som virker under skruing og avskruing viser seg å være proporsjonal med dreiemomentet.

Gå inn Dima Mironov og kolleger ved Skolkovo Institute of Science and Technology i Moskva, som ønsker å automatisere prosessen for fremtidens smarte fabrikker.

Planen deres er enkel. Ved å bruke haptikk, studiet av berøringssansen, ønsker Mironov og co å forstå hvordan mennesker utfører disse oppgavene og deretter bygge roboter som bruker samme teknikk. Og arbeidet deres har avdekket en grunnleggende lov om å skru (og skru av) som begynner å gjøre dette mulig.

Mennesker bruker to forskjellige typer kraft for å kjøre hjem en skrue eller løsne den. De påfører først et trykk eller aksial kraft for å skyve skruen inn i holderen. De bruker også en dreiekraft, eller dreiemoment, for å vri skruen. Det nødvendige dreiemomentet avhenger av friksjonen mellom skruen og muffematerialet, og dette avhenger også gjengenes tilstand.

Et sentralt problem ved skruing er hvordan man unngår cam-outs, der skrutrekkeren mister grepet om skruehodet og glir. Så Mironov og co er spesielt interessert i hvordan mennesker unngår dette.

For å undersøke bygde teamet en enhet for å måle både aksialkraften og dreiemomentet til oppløsninger på mindre enn 0,1 newton i aksial retning og 0,003 newtonmeter dreiemoment.

De ba deretter 10 menn og kvinner om gjentatte ganger å skru en liten skrue – den typen som brukes ved montering av smarttelefoner – inn i en tre millimeter stikkontakt. Skruene hadde enten et Phillips-hode eller et sekskanthode. Teamet målte deretter de involverte kreftene.

Det viser seg at for vellykket skruing og avskruing, bruker mennesker en aksial kraft som er proporsjonal med dreiemomentet. Under skruing når denne kraften et maksimum ved enden av drivverket; dette mønsteret reverserer under avskruing.

Det er også en periodisitet til disse kreftene som kommer fra mennesker som endrer grep når de snur hendene og går i inngrep med skruen igjen. Så Mironov og co ser ganske enkelt på den maksimale kraften som utøves under hver sving.

Slik fant de det universelle mønsteret av skru- og avskruingskrefter som med hell kan drive hjem en skrue eller fjerne den. Resultatene viser at folk bruker aksial kraft på skruene for å unngå skrutrekkerglidning (cam-outs) og denne aksiale kraften er proporsjonal med momentet som kreves for å skru, sier Mironov og co.

Teamet fant også ut at den nødvendige kraften avhenger av typen skruehode: skruer med Phillips-hode krever betydelig mer aksial kraft for å unngå cam-outs enn skruer med sekskanthode. Så gitt den samme aksiale kraften, er det mindre sannsynlig at sekskanthoder sklir enn Phillips-hoder.

Til slutt programmerte Mironov og co en robot til å gjenskape det samme mønsteret av krefter. Denne roboten er utstyrt med en skrutrekker, en griper for å holde skruen og maskinsyn for å finne skruen i holderen.

Teamet målte deretter kreftene mens roboten gjorde arbeidet sitt, og la spesielt merke til cam-outs, som viser seg som et plutselig fall i kreftene. Når roboten oppdager en cam-out, øker den aksiale kraften og fortsetter.

Roboten fungerte bra. Resultatene av robotavskruingen stemmer overens med resultatene av menneskelige eksperimenter og demonstrerer universaliteten til betingelsene for vellykket avskruing, sier Mironov og co.

Disse forskerne er en del av et team som bygger roboter som kan ta fra hverandre elektroniske enheter, som smarttelefoner, for resirkulering. Prosjektet heter RecyBot, og har som mål å lage et høyhastighets intelligent robotsystem for demontering av elektronikk.

Det er en betydelig utfordring, og en av de største hodepinene er å skru av. Så laget har i det minste dette under beltet. Men den samme teknologien kan brukes i en lang rekke smarte fabrikker som må montere og demontere komponenter.

Uansett ser den ydmyke skruen ut til å spille en like viktig rolle i fremtiden som den har gjort tidligere.

Ref: arxiv.org/abs/1801.10386 : Haptics for skruing og avskruing for bruk i smarte fabrikker for demontering

gjemme seg