ربات های خط تولید ارتقا پیدا می‌کنند

در آغاز همه‌گیری COVID-19 شرکت‌های خودروسازی مانند فورد به‌ سرعت تمرکز خود را از خودرو به ماسک و دستگاه تنفس مصنوعی تغییر دادند. چنین تغییری در خط تولید، برای ربات های خط تولید چالش‌برانگیز محسوب می‌شود، چون ربات‌ها به وظایف معمول خود گره‌ خورده‌اند. ربات‌ها در اصل باید بتوانند هر شیئی را که چنگک‌هایشان اجازه می‌دهد، بردارند. برای پایین نگه‌داشتن هزینه‌ها، چنگک را می‌توان به ‌صورت منفعل (غیرفعال) ساخت؛ بدین معنی که چنگگ‌ها، مانند انبرک‌های فورک لیفت، بدون تغییر شکل اشیاء را بردارند.

گروهی از پژوهشگران دانشگاه واشنگتن ابزار جدیدی ساخته‌اند که یک چنگک منفعل با قابلیت چاپ سه‌بُعدی را طراحی کرده و بهترین مسیر برای گرفتن شیء را محاسبه می‌کند. پژوهشگران این سیستم را روی مجموعه‌ای از ۲۲ شی‌ء، از جمله یک خرگوش، یک توپ تنیس و یک دریل، مورد آزمایش قرار دادند. چنگک‌ها و مسیرهای طراحی‌شده ربات های خط تولید با موفقیت ۲۰ مورد از اشیاء، از جمله اشیاء هرمی‌شکل و ذوزنقه‌شکل، را از زمین برداشتند که هر دو، از اشکال سخت برای چنگک‌ها به شمار‌ می‌روند. پژوهشگران یافته‌های خود  را در ۱۱ اوت (معادل ۲۰ مردادماه) در SIGGRAPH 2022 ارائه خواهند کرد.

آدریانا شولز، نویسنده ارشد و استادیار UW، می‌گوید: «ما هنوز اکثر اقلام خود را در خطوط مونتاژ تولید می‌کنیم که در عین کارآمدی، غیرانعطاف‌پذیر هستند. همه‌گیری کرونا نشان داد که باید راهی برای تغییر آسان کاربری این خطوط تولید پیدا کنیم. هدف ما  ابزارسازی ‌سفارشی برای تولید است. هدف، دستیابی به ربات است که بتواند با یک چنگک خاص، یک مسئله را انجام دهد و با تغییر مسئله، فقط کافی است چنگک را جابه‌جا کنیم.»

چنگک‌ها‌ی منفعل ربات های خط تولید نمی‌توانند متناسب با شیء تنظیم شوند، به همین دلیل تاکنون، همواره اجسام بوده‌اند که برای انطباق با چنگک طراحی و سازگار شده‌اند.

ارتقای ربات های خط تولید

جفری لیپتون، استادیار مهندسی مکانیک UW و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: «موفق‌ترین چنگک منفعل در جهان انبر لیفتراک است؛ اما این ترازو کفه دیگری هم دارد: انبرهای فورک لیفت تنها با اشکال خاصی همچون پالت‌ها خوب کار می‌کنند؛ یعنی هر چیزی که بخواهیم با فورک لیفت بلند کنیم، باید روی یک پالت قرار داشته باشد. اینجاست که می‌گوییم نمی‌خواهیم شکل هندسی چنگک منفعل را از قبل تعیین کنیم، در عوض، می‌خواهیم در طراحی چنگک‌ها، شکل هندسی اشیاء را در نظر بگیریم.» بدین صورت ارتقای ربات های خط تولید انجام می‌گیرد.

برای برداشتن اشیاء مختلف از طریق ربات های خط تولید، چنگک موردنظر می‌تواند طراحی‌های گوناگونی داشته باشد. علاوه بر این، شکل چنگک به مسیری که بازوی ربات برای برداشتن جسم طی می‌کند، مرتبط است. در صورت طراحی نادرست، چنگک ممکن است در مسیر، با جسم برخورد کند. پژوهشگران اطلاعات چندانی برای حل این مشکل در دست نداشتند.

میلین‌کاد‌نونگبوا، نویسنده اصلی مقاله، گفت: «نقاط تماس چنگک با جسم در حفظ ثبات حرکت، نقشی ضروری ایفا می‌کنند. ما این مجموعه نقاط را «پیکربندی چنگ زدن» می‌نامیم، چنگک باید در این نقاط با جسم تماس داشته باشد و گیره باید یک جسم محکم باشد که نقاط تماس را به بازوی ربات متصل می‌کند.»

پژوهشگران برای طراحی چنگک و مسیر انتقال جدید، در ابتدا یک مدل سه‌بعُدی از شیء و جهت‌گیری‌اش در فضا را به کامپیوتر تغذیه می‌کنند. کادنونگبوا توضیح می‌دهد: «الگوریتم ما در ابتدا پیکربندی‌های چنگکی ممکن را ایجاد می‌کند و آن‌ها را بر اساس ثبات و برخی معیارهای دیگر رتبه‌بندی می‌کند. سپس بهترین گزینه را انتخاب و بهینه‌سازی می‌کند، تا دریابد یک مسیر خاص امکان‌پذیر هست یا خیر. اگر نتواند یکی را پیدا کند، به پیکربندی درک بعدی در لیست می‌رود و سعی می‌کند دوباره بهینه‌سازی مشترک را انجام دهد.»

بعد از اینکه کامپیوتر به گزینه مناسب دست ‌یافت، دو مجموعه دستورالعمل تولید می‌کند: یکی برای پرینتر سه‌بُعدی که چنگک را چاپ می‌کند و دیگری برای مسیر حرکت بازوی ربات های خط تولید بعد از چاپ و اتصال چنگک.

پژوهشگران با استفاده از اشیاء مختلف، عملکرد روش پیشنهادی خود را به آزمایش گذاشتند. برخی از این اشیاء متعلق به دیتاستی بودند که به‌ صورت استاندارد، برای آزمایش توانایی ربات در انجام مسائل دستکاری استفاده می‌شود.

چالش ربات های خط تولید

ایان گود، دانشجوی دکتری UW گروه مهندسی مکانیک و یکی از نویسندگان مقاله، اضافه می‌کند: «ما اشیاء دیگری هم طراحی کردیم که برای ربات‌های قدیمی چالش‌برانگیز حساب می‌شوند. به‌عنوان ‌مثال، می‌توان به اشیائی اشاره کرد که زوایای ضعیف یا چنگک داخلی دارند؛ منظور از چنگک داخلی، اشیائی هستند که با فشار یک کلید می‌توان برداشت.» بدین صورت، با این ساخت این اشیاء، چالش ربات های خط تولید ایجاد شد.

محققان قابلیت برداشتن اجسام توسط چنگک را روی ۲۲ شکل متفاوت امتحان کردند. چنگک در برداشتن ۱۶ شکل موفق عمل کرد. این خرابی‌ها ناشی از مشکلات مربوط به مدل‌های سه‌بُعدی اشیائی بود که به رایانه داده می‌شد. یکی از این اشیاء کاسه‌ای بود که مدل سه‌بُعدی کناره‌هایش را نازک‌تر از آنچه بود نشان می‌داد و دیگری که یکی دیگر از چالش ربات های خط تولید بود، شیئی شبیه به فنجان بود که مدلش، جهت‌گیری صحیحی نداشت.

الگوریتم پیشنهادی، راهبرد‌های مشابهی را برای اجسام با شکل مشابه، حتی بدون دخالت انسان، توسعه داد. محققان امیدوارند یافته‌های جدید به ایجاد چنگک‌های منفعل جدیدی کمک کنند که قادر به برداشتن دسته‌ای از اشیاء باشند، تا دیگر لازم نباشد برای هر شیء خاص یک چنگک منحصربه‌فرد ساخته شود.

یکی از محدودیت‌های این روش این است که راهبرد‌های چنگکی یکسان را نمی‌توان برای برداشتن همه اشیاء طراحی کرد. درحالی‌که برداشتن اشیائی که پهنای متفاوت یا دارای لبه‌های بیرون‌زده هستند، آسان‌تر است، اشیائی همچون بطری آب یا جعبه که سطوح صاف دارند، به‌سختی برداشته می‌شوند.

با وجود انواع چالش ربات های خط تولید، عملکرد خوب الگوریتم، به‌ویژه روی اشکال سختی همچون ستونی با سوراخ کلید، پژوهشگران را امیدوار کرد. گود معتقد است که راهبرد الگوریتم برای برداشتن این شکل، بدین ترتیب بود که ابتدا با شتاب به سمت پایین می‌آید تا به شیء نزدیک شود؛ طوری که در ابتدا به نظر می‌رسید که با این شتاب، شیء را له می‌کند؛ اما در نهایت، پژوهشگران مشاهده کردند که به‌خوبی آن را بر می‌دارد. همین لحظه بود که به آن‌ها نشان داد کارشان به نتیجه رسیده است.

یو لو، که این تحقیق را به‌عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در مدرسه آلن به پایان رساند، یکی از نویسندگان این مقاله است. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم و مؤسسه خیریه مرداک تأمین شد. پژوهشگران درخواست ثبت اختراع برای پروژه خود نیز ارائه داده‌اند.