Behendig robotskjæring – Norwegian Translations

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

Hjemmeboboter har lenge vært en fascinasjon for publikum. De er kjernen i livskvalitetsteknologien, og har høye løfter om å avlaste mennesker fra daglige gjøremål, og gir kostnadseffektiv helsehjelp til den voksende eldre befolkningen og mennesker med nedsatt funksjonsevne. Automatisering av kjøkkenferdigheter er en viktig del av hjemrobotikk, og også en av de ultimate testene for roboter for å oppnå menneskelig fingerferdighet. Til tross for sin betydning og appell, har robotkjøkkenhjelp til i dag vært begrenset til oppvask og sortering, og til matlaging av matvarer tilberedt av mennesker.

I dette arbeidet brukes en 2-DOF robotarm utstyrt med en kraft/dreiemoment sensor for å skjære gjennom et objekt i en sekvens av tre trekk: trykk, skyv og skjær. For hvert trekk er en egen kontrollstrategi i det kartesiske rommet utformet for å innlemme kontakt-og/eller kraftbegrensninger mens du følger noen foreskrevet bane.

Mekanikk og kontroll av knivbevegelse

Under skjæring mottar hvert uendelig minimale element på kniven en kraft $d f = d f_{C} + d f_{U} + d f_{F}$ fra objektet. Arbeidet utført av $- d f_{C}$ gir ny brudd i objektet, at av $- d f_{U}$ forårsaker en økning (eller reduksjon) i objektets belastningsenergi, og at av $- d f_{F}$ blir spredt gjennom friksjon. Noen matvarer som potet og yams knapt defferer under skjæring, og en antagelse $d f_{U}$ = 0 kan derfor brukes.

Bruddkraften og friksjonskraften kan beregnes som følger:

hvor integralintervallet S er knivbladet som kommer i kontakt med objektet og $Φ$ er tverrsnittet mellom kniv og gjenstand. $μ$ , $κ$ , og $P$ er henholdsvis friksjon, fraktur seighet og trykkfordeling. $(β_{x}, β_{y})^{T}$ $x$ -cooridinate for knivbladet.

Fase	Kontroller
Presse	Posisjonskontroll i y-retning for å oppnå en viss fraturhastighet Tving kontroll for å holde konstant knivorientering $τ = M L a (y ¨ d + k v y ˙ e + k p y e + k i \int y e d t) + N a + F a$ hvor $F a = (h + k f d h ˙ + k f i \int h d t) \nabla h T$ er en generalisert begrensningskraft som rotasjon av kniven.
Trykk	Tving kontrollen i y-retning til knivbrettets kontaktkraft når ønsket nivå $τ = N a + F a - J T c (0, f d + k ¯ f d f ˙ e + k ¯ f i \int f e d t) T$ hvor $F a = (h + k f d h ˙ + k f i \int h d t) \nabla h T$ samme som pressefasen.
Skive	Posisjonskontroll i x-retning for å oppnå jevn skjæringsfremdrift Tving kontroll i y-retning for å opprettholde kontaktkraftnivået $τ = M L c (k ¯ v x ˙ e + k ¯ p x e + k ¯ i \int x e d t) + N c + F c$ hvor $F c = - J T c (0, f d + k ¯ f d f ˙ e + k ¯ f i \int f e d t) T$
I de tre kontrollerne er M massematrisen, L_a og *L_c* er Jacobian for koordinattransformasjon, og *N_a* og *N_c* inkluderer Coriolis, sentrifugal-og tyngdekraftseffektene og den eksterne skiftenøkkelen.

En WAM-arm utstyrt med en 6-akset F/T-sensor ble brukt i eksperimentet vårt. Vi monterte knivbladet og ryggraden med polynomer som ble brukt til å spore det laveste punktet på kniven og tverrsnittet mellom kniv og gjenstand. Objektets kontur ble montert over punktene (nær nok til skjæreplanet) oppnådd av en Microsoft Kinect-sensor. Vi målte også koeffisienten for frciton, bruddseighet og trykkdistribusjon for potet og løk for å beregne bruddkraften og friksjonskraften.

Figuren over viser eksperimentelle resultater fra å kutte en løk. Hver av (a)–(d) illustrerer alle tre skjæringsfasene. I (a) følger ordinasjonen y_a til armens frie ende den ønskede bane $y_{d}$ under pressing, og abscissen x_c av knivbrettkontakten følger den ønskede bane x_d. I (b), forblir orienteringen $θ_{1} + θ_{2}$ på armrammen (derav knivens) nesten konstant i de to første fasene, men øker i tredje fase. I (c) legger den modellerte friksjonskraften $f_{F}$ og bruddkraften $f_{C}$ tett opp til den avfølte kraften $f_{C}$ i pressefasen, bortsett fra hver gang kniven kommer inn i et nytt lag i løken. I skjæringsfasen er den modellerte kraften i y–retningen veldig liten, siden hvert punkt på kniven beveger seg nesten i x–retning. I (d) har en plutselig endring i kontaktkraften blitt forårsaket av et stort gap mellom ønsket kraft og faktisk kraft. Kontaktkraften konvergerer raskt til ønsket verdi og varierer innenfor et lite område. Resultater fra disse eksperimentene og mer kan sees i YouTube-videoen øverst på siden (lenke).

Modellering av skjæring basert på bruddmekanikk og FEM

Modellering av brudd og deformasjon under en skjærehandling, ofte basert på finite element-metoden (FEM), gir informasjon om kraft og form som brukes i knivkontroll for å implementere en ferdighet som skive, hugge eller terning. Imidlertid kan et objekts 3D-maskemodell være beregningsmessig uoverkommelig for å oppnå ønsket nøyaktighet, siden mange små elementer må brukes i nærheten av knivens bevegelige kant. For å løse dette problemet, representerer vi objektet som jevnt fordelte skiver som er normale for skjæreplanet, slik at 3D-modelleringsoppgaven reduseres til flere 2D-modelleringsoppgaver. Hver oppgave kan løses via den samme FEM-prosedyren, og brudd og kraft kan deretter interpoleres mellom hver to tilstøtende skiver. Eksperiment med en Adept-arm og en ATI-kraft/dreiemoment (F/T)-sensor utført over fem matvarer har vist gode samsvar mellom modellert kraft, dreiemoment og arbeid opplevd av kniven, og målingene med en seks-akset kraft/dreiemoment sensor.

For mer informasjon, henviser vi til følgende innlevering:

Yuechuan Xue og Yan-Bin Jia. Grip en kjøkkenkniv fra skjærebrettet. Akseptert til IEEE internasjonal konferanse om intelligente roboter og systemer, Las Vegas, NV, 25-29 oktober 2020.
Prajjwal Jamdagni og Yan-Bin Jia. Robotkutting av faste stoffer basert på bruddmekanikk og FEM. I prosesser av IEEE internasjonal konferanse om intelligente roboter og systemer, Macau, Kina, 3-8 nov, 2019.
Xiaoqian Mu, Yuechuan Xue og Yan-Bin Jia. Robotkutting: Mekanikk og kontroll av knivbevegelse. I prosesser av IEEE internasjonal konferanse om robotikk og automatisering, Montreal, Canada, 20. – 24. mai 2019.
Yan-Bin Jia og Yuechuan Xue. Behendig manipulasjon med to fingre med koblede ledd. I prosesser av IEEE internasjonal konferanse om robotikk og automatisering, sider 3172-3179, Brisbane, Australia, 21.-25. Mai 2018.

Dette materialet er basert på arbeid støttet av National Science Foundation under tilskudd IIS-1651792.
Eventuelle meninger, funn og konklusjoner eller anbefalinger uttrykt i dette materialet er de fra forfatteren (e) og gjenspeiler ikke nødvendigvis synspunktene fra National Science Foundation.

Sist oppdatert 11. juli 2020.