Hur man lär en robot att skruva

I pantheonen av teknologier som gör vårt moderna samhälle möjligt är en av de mest underskattade och försummade det gängade fästelementet, mer allmänt känt som skruven. Denna teknik uppstod i början av den industriella eran, när det blev möjligt att tillverka metallprylar som dessa i stor skala.

Idag håller dessa enheter bokstavligen världen samman. Vår 2000-tals livsstil skulle inte vara möjlig utan dem, och de kommer sannolikt att spela en oumbärlig roll under överskådlig framtid.

Men i en värld där tillverkningstekniker automatiseras alltmer, finns det ett problem. Processen att skruva och skruva är fortfarande en där människor överträffar maskiner. Robotenheter har svårt att lokalisera skruvar och deras hylsor och sedan manipulera skruvar och skruvmejslar effektivt.

De axiella krafterna vid skruvning och lossning visar sig vara proportionella mot vridmomentet.

Ange Dima Mironov och kollegor vid Skolkovo Institute of Science and Technology i Moskva, som vill automatisera processen för framtidens smarta fabriker.

Deras plan är enkel. Med hjälp av haptik, studiet av känseln, vill Mironov och co förstå hur människor utför dessa uppgifter och sedan bygga robotar som använder samma teknik. Och deras arbete har avslöjat en grundläggande lag för att skruva (och lossa) som börjar göra detta möjligt.

Människor använder två olika typer av kraft för att köra hem en skruv eller släppa den. De applicerar först ett tryck eller axiell kraft för att trycka in skruven i dess hylsa. De applicerar också en vridkraft, eller vridmoment, för att vrida skruven. Det erforderliga vridmomentet beror på friktionen mellan skruven och hylsmaterialet, och detta beror också på gängans tillstånd.

Ett nyckelproblem vid skruvning är hur man undviker cam-outs, där skruvmejseln tappar greppet om skruvhuvudet och slirar. Så Mironov och co är särskilt intresserade av hur människor undviker detta.

För att undersöka byggde teamet en enhet för att mäta både den axiella kraften och vridmomentet till upplösningar på mindre än 0,1 newton i axiell riktning och 0,003 newtonmeters vridmoment.

De bad sedan 10 män och kvinnor att upprepade gånger skruva in en liten skruv – den typ som används vid montering av smartphones – i ett tre millimeters uttag. Skruvarna hade antingen ett Phillips-huvud eller ett sexkantshuvud. Teamet mätte sedan de inblandade krafterna.

Det visar sig att för framgångsrik skruvning och lossning applicerar människor en axiell kraft som är proportionell mot vridmomentet. Vid skruvning når denna kraft ett maximum i slutet av drivningen; detta mönster vänds under lossning.

Det finns också en periodicitet för dessa krafter som kommer från att människor ändrar sitt grepp när de vrider sina händer och återkopplar med skruven. Så Mironov och co tittar helt enkelt på den maximala kraften som utövas under varje tur.

Så här hittade de det universella mönstret av att skruva och skruva loss krafter som framgångsrikt kan driva hem en skruv eller ta bort den. Resultaten visar att människor applicerar axiell kraft på skruvarna för att undvika skruvmejselglidning (cam-outs) och denna axiella kraft är proportionell mot det vridmoment som krävs för att skruva, säger Mironov och co.

Teamet fann också att den erforderliga kraften beror på typen av skruvhuvud: skruvar med ett Phillips-huvud kräver betydligt mer axiell kraft för att undvika cam-outs än skruvar med ett sexkantshuvud. Så givet samma axiella kraft är det mindre sannolikt att sexkantshuvuden glider än stjärnhuvuden.

Slutligen programmerade Mironov och co en robot för att återskapa samma kraftmönster. Denna robot är utrustad med en skruvmejsel, en gripare för att hålla skruven och maskinseende för att lokalisera skruven i dess hylsa.

Teamet mätte sedan krafterna medan roboten gjorde sitt arbete, och ägnade särskild uppmärksamhet åt cam-outs, som visar sig som en plötslig minskning av krafterna. När den upptäcker en cam-out ökar roboten den axiella kraften och fortsätter.

Roboten presterade bra. Resultaten av robotavskruvningen överensstämmer med resultaten av de mänskliga experimenten och visar universaliteten i villkoren för den framgångsrika avskruvningen, säger Mironov och co.

Dessa forskare är en del av ett team som bygger robotar som kan ta isär elektroniska enheter, som smartphones, för återvinning. Projektet heter RecyBot och har som mål att skapa ett höghastighets intelligent robotsystem för demontering av elektronik.

Det är en stor utmaning, och en av de största huvudvärkarna är att skruva loss. Så laget har åtminstone det här under bältet. Men samma teknik skulle kunna tillämpas i en lång rad smarta fabriker som måste montera och demontera komponenter.

Hur som helst ser den ödmjuka skruven ut att spela en lika viktig roll i framtiden som den har gjort tidigare.

Ref: arxiv.org/abs/1801.10386 : Haptics of skruvning och lossning för dess tillämpning i smarta fabriker för demontering

Dölj