獨特設計!柔性機械手解決抓握難題
目錄
- 簡介
- 解決的問題與需求
- 系統設計
- 成本效益分析
- 風險管理與預算
- 未來發展目標
- 創新之處
- 控制系統
- 物理設計
- 專案管理
簡介
在這份文章中,我們將介紹我們團隊設計的柔性機械手。這款機械手使用了可扭曲的氣動致動器作為手指,並具備感知功能以實現對物體的封閉迴路控制。我們的設計旨在與其他機械系統輕鬆整合。現在讓我們逐步介紹我們的設計,並談到我們在解決問題、滿足需求以及領先機器人研究領域方面的獨特之處。
🤖 解決的問題與需求
在機器人的廣泛應用和整合過程中,我們認為有兩個尚未解決的難題。第一個問題是在精確度和成本之間存在明顯的平衡。提高機器人在致動和感知環境方面的精確度會大大增加成本,這使得成本可承擔的機器人系統難以有效使用。此外,傳統的抓取器在抓握脆弱或不規則形狀的物體方面存在困難。隨著物體複雜度的增加,規劃和抓握執行的困難迅速增加。
在美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的機器人挑戰賽中,當代最先進的機器人在15分鐘內只能打開一扇門或轉動一個手柄。我們的目標是設計一個末端執行器系統,通過改善現有機械系統,最大限度地減少這些問題在各種任務中,這將使更便宜的機械系統能夠在更廣泛的任務中使用,無論是替代更昂貴的系統,還是執行以前難以自動化的任務。
在著手進行實際設計之前,我們列舉出了幾個示例用例,作為開發我們的專案需求的依據。例如,如果一個人工智慧系統需要處理薯片袋,我們的機械手系統必須能夠在不破壞薯片袋的情況下處理它們。又例如,如果一個機器人需要在農場上摘取水果,機械手系統必須能夠處理水果,使其不受損壞。基於這些用例,我們了解到這個機械手系統必須滿足以下六個需求:
- 快速應對環境變化
- 多功能性
- 耐用性
- 降低系統預測不確定性
- 安全性
- 成本效益
🛠 系統設計
為了滿足上述需求,我們設計了一款具有柔性氣動致動器手指的機械手。每個手指都具有嵌入式感測器,以實現力量和位置的封閉迴路控制。手指的關節可以重新配置,以在需要時抓握不規則形狀和可變形物體。這些設計選擇使得我們的系統滿足了所設定的需求。正式的系統成本總計為860美元,位於商業可用替代品的價格範圍內。測試結果顯示,初始原型手指可以使用七個月,手指的可重新配置性和可變形性使得手部能夠適應不同的物體和環境,嵌入式感測器進一步增加了手的適應性,並允許抓握易碎物體。
下圖是系統的概述:
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現在,讓我們更詳細地討論不同的子系統。
控制系統
最高級的控制由Intel Atom處理器負責,它負責校準、用戶輸入和抓握分析。採用ROS作為系統架構,使得系統易於擴展並能夠輕鬆整合其他系統和接口。Intel Atom與EMBED FRDM K64F連接,EMBED FRDM K64F上運行著嵌入式控制系統。K64F與馬達、電磁鐵和手指感測器之間的溝通由自定義的電路板處理。手指的關節運動由K64F控制,並使用四相計數器進行測量。手指的致動由一組螺線管閥控制,這些螺線管閥由外部壓縮機提供壓力。手指的感測由圍繞在ARM Cortex-M0處理器周圍的自定義板執行,進行信號調節和感測器讀取,並將結果報告給K64F。
物理設計
我們的物理設計包括柔性氣動致動器手指和嵌入式感測器。研究表明,作為柔性機器人的一部分,傳統的控制方法效果不佳,因此我們利用了卡內基梅隆大學開發的嵌入式eGaIn感測器,實現了對手指的控制。這些感測器使用導電液體,在手指的微通道中進行伸縮,從而改變通道的橫截面積,類似於應變應變計的工作原理。這種變化被作為電阻增加來檢測,並由手指板上的電路測量。經過測試,我們快速發現傳統的控制方法在從平整表面上抓握物體方面表現不佳。為了解決這個問題,我們受到人類指甲的靈感,將剛性元素添加到柔性致動器中,使其能夠從平滑的平面上把物體抓起。這些剛性元素在柔性致動器中使我們能夠大大提高從平滑表面上抓取物體的速度。
⚖️ 成本效益分析
在分析成本效益時,最大的支出是Intel Atom處理器。儘管價格較高,但它是使整個系統實現超出基本功能的關鍵組件。在生產可使用而不僅僅是可用的手部時,大量時間花在了對手指設計的修訂和精煉上。儘管製造大量手指的成本不菲,但手部的效能帶來的好處是顯著的。
現在,讓我們來看一些風險管理和預算方面的措施。
🔒 風險管理與預算
在整個專案過程中,風險管理是非常重要的。在設計和執行階段,我們遇到了一些風險,例如零件獲取、硬體製造時間和硬體供應的問題。為了減少這些未知因素的影響,我們適時調整了專案時程表,優先考慮不確定的任務,如控制器的開發,並在確定性任務之後重新安排。
在時間管理和設定截止日期方面,我們遇到了一些困難。在開始專案時,由於沒有足夠的經驗估算完成任務所需的時間,我們設定的時間表是不可實現的。在專案過程中,團隊成員感受到了這一問題,並努力優化時間管理,並根據工作優先級調整日程表。
在規劃方面,我們刻意為測試和製造預留足夠的時間。由於預算有限,我們在選擇和購買零件和材料時非常謹慎。儘管遇到了困難,但這在某種程度上對我們很有利,因為我們的需求之一是保持整個手部的總成本盡量低。其中一筆顯著的費用是用於手指設計的矽材料。作為系統的重要組件,我們花費了大量時間進行手指的修訂和精煉。儘管製造這麼多的手指的成本不菲,但手部效能的提升是顯著的。
🚀 未來發展目標
在未來,我們有幾個目標。首先,我們希望為手掌添加觸覺功能,以更好地理解系統的抓握質量。其次,我們希望改善指甲設計,以使其能夠成功抓握所有測試物體。同樣地,指甲的製造過程應該進一步精煉,以減少製造缺陷的機會。最後,作為一個長遠目標,我們希望添加抓握分析功能,使手能夠在人為干預的情況下確定抓握質量。
🌟 創新之處
我們的設計在控制手指和手指的物理設計方面都需要顯著的創新。過去的研究主要探討了柔性機械手指的開環控制,但對於我們的需求,我們需要通過利用卡內基梅隆大學開發的嵌入式eGaIn感測器來實現對手指的控制。我們的控制方法超越了該領域先前的所有工作。
eGaIn感測器利用銦鎵共晶液體作為導電液,將其置於手指的微通道中,在手指的伸縮過程中,感測器會伸展,改變通道的橫截面積,這與應變應變計的工作原理類似。手指板上的電路通過讀取這種變化作為電阻增加進行檢測。在我們的測試中,我們快速發現傳統的控制方法在從平整表面上抓握物體方面表現不佳。為了解決這個問題,我們受到人類指甲的靈感,將剛性元素添加到柔性致動器中,使其能夠從平滑的平面上把物體抓起。這些剛性元素在柔性致動器中使我們能夠大幅提高從平滑表面上抓取物體的成功率。
📅 專案管理
在項目管理方面,團隊成員的選擇和負責任的劃分是非常重要的。由於我們的解決方案需要多個領域的技能,團隊成員的選擇對我們的成功至關重要。在整個項目中,我們努力不僅在工程解決方案上取得成果,而且在團隊管理方面也取得成功。
在整個專案的進行中,我們面臨著一些挑戰。例如,時間管理和設定截止日期一直是一個問題。在項目開始時,由於缺乏經驗,我們對完成任務所需的時間估計不足,因此最初設定的時程表無法遵循。在項目的進程中,團隊成員努力劃分時間和工作優先順序。
在規劃方面,我們的目標是為測試和製造預留足夠的時間。由於預算有限,我們在選擇和購買零件和材料方面非常謹慎。儘管有困難,但這在某種程度上也對我們有利,因為我們的要求之一是保持整個手部的總成本盡量低。
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