السيطرة الروبوتية البسيطة - التصميم والخوارزميات والتحكم في أنظمة القبضة
تُستخدم الروبوتات الصناعية، التي تحل محل البشر تدريجياً، من حيث المبدأ لأداء مهام خطيرة أو متكررة - وخاصة المهام التي تتطلب درجة عالية من الدقة. إحدى الميزات المطلوبة للروبوتات الصناعية هي القدرة على الإمساك بالأشياء التي لا يُعرف شكلها وخصائصها الأخرى مسبقًا. هذا هو التحدي في مركز البحث الذي أجراه البروفيسور أمير شابيرا من قسم الهندسة الميكانيكية في جامعة بن غوريون في النقب، والبروفيسور إيلون ريمون من كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون في حيفا، والذين شاركوا في الدراسة يوآف جولان من جامعة بن غوريون وهيليل بونيس من التخنيون.
عندما نلتقط قلمًا سقط على الأرض أو نحمل كوبًا من الماء، فإننا لا نفكر في التعقيد الكامن في هذه الإجراءات التي تبدو بسيطة، ولكن تصميم يد آلية تؤدي هذه المهام ليس بالمهمة البسيطة ببساطة وكفاءة. إن يد الإنسان التي تحمل شيئاً معيناً تنشط أكثر من 30 عضلة، ومن أجل تصميم يد روبوتية تحاكي بدقة طريقة عمل يدنا، هناك حاجة إلى محرك لكل عضلة. يهدف علماء التخنيون وجامعة بن غوريون في النقب إلى تطوير يد آلية فعالة ورخيصة ومريحة للاستخدام الصناعي قدر الإمكان، في مدرسة ثانوية بسيطة - باستخدام محرك واحد فقط.
اتضح أن اليد البسيطة، التي تحتوي على إصبعين فقط يمكن فتحهما وإغلاقهما، يمكنها الإمساك بمجموعة كبيرة جدًا من الأشياء، ولكن من الضروري معرفة المكان الدقيق الذي يجب أن توضع فيه هذه الأصابع على جسم غير معروف شكله. تقدم، بحيث يتم الإمساك بها بشكل فعال ولا تسبب ضررا. لهذا البحث جانبان: جانب ميكانيكي وجانب خوارزمي.
ومن ناحية الجانب الميكانيكي، تتضمن الدراسة ابتكارين. أول هذه العناصر هو أصابع ثانوية يمكن أن تتناوب بين قبضة الاحتكاك وقبضة الاحتكاك. بفضل آلية القفل المحملة بنابض داخل كل إصبع، وهي أسطوانية الشكل، يمكن لليد الإمساك بأي عظم بطريقتين: بدون احتكاك، أي بدون قوة تعمل بين الأصابع والجسم، وعند الضرورة - عندما يتم تنشيط آلية القفل - القبضة قوية وتتضمن احتكاكًا. تمنع هذه الآلية "التصاق" العظم عند محاولة الإمساك به وتحسن جودة القبضة. أما الابتكار الميكانيكي الثاني فيسمح لليد الروبوتية بالاكتفاء بمحرك واحد فقط، وذلك بفضل قدرتها على تغيير شكلها بمساعدة البيئة، حتى قبل القبضة نفسها. يتعلق الأمر في الواقع بإضافة خطوة أخرى إلى عملية الإمساك، وهي خطوة تتم قبل لمس الشيء، حيث يمكن تغيير - عن طريق وضع اليد على الحائط، على سبيل المثال - خصائص مختلفة للأصابع (على سبيل المثال، زواياهم وبعدهم عن الوسط) بطريقة تمكنهم من الإمساك بأي شيء. وطوَّر فريق البحث طريقة لأداء هذه الخطوة التحضيرية الإضافية بسرعة وكفاءة. ويرتبط الجانب الخوارزمي بالطموح للإمساك بالعظم بالطريقة الأكثر فعالية، من خلال تطويقه بين الأصابع وإنشاء نوع من القفص حوله.
ويرتبط الجانب الخوارزمي بالرغبة في الإمساك بالعظم بالطريقة الأكثر فعالية، من خلال تطويقه بين الأصابع وإنشاء نوع من القفص حوله. الغرض من الخوارزميات هو تحديد المكان الذي يجب أن نضع فيه أصابعنا حول العظم،
اعتمادًا على شكلها الهندسي، بحيث لا يتم سحقها من ناحية، ومن ناحية أخرى لن تسقط من اليد الآلية. ولهذا الغرض من المهم معرفة كل الحركات الممكنة التي قد يقوم بها الجسم في الفضاء وكل إمكانيات الأصابع لصد هذه الحركات، تبعا لمواقعها الدقيقة فيه.
ولتحقيق هذه الغاية، قام الفريق البحثي بتطوير طريقة بحث رسومية تسمح بتحديد النقاط التي يجب أن يتم وضع الأصابع فيها، من أجل الحصول على قبضة قفص ناجحة والتنبؤ بما سيحدث بعد إغلاق الأصابع. كان أحد الأهداف هو العثور على نقاط الاتصال ذات المسافة القصوى بين الأصابع التي لا تسمح للعظم بالهروب: كلما زادت المسافة، زاد الخطأ في الإمساك الأولي بالعظم بواسطة اليد الآلية. وتوضح عمليات المحاكاة الحاسوبية عمل هذه الخوارزميات على أجسام مختلفة الأشكال، وفي النهاية يتم اختبار الخوارزميات والنظام الميكانيكي في تجارب حقيقية. وفي التجارب التي أجريت حتى الآن - بمساعدة منحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية - تمكنت اليد الآلية من الإمساك بمجموعة واسعة من الأجسام، بطريقة مرضية. تشير النتائج المؤقتة للدراسة إلى أن اليد متعددة المحركات ليست ضرورية لتحقيق قبضة معقدة وآمنة، وأن نظامًا أبسط يعتمد على خوارزمية صحيحة يمكن أن يكون كافيًا لأداء قبضة عالية الجودة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
