Come insegnare a un robot ad avvitare

Nel pantheon delle tecnologie che rendono possibile la nostra società moderna, una delle più sottovalutate e trascurate è la chiusura filettata, più comunemente nota come vite. Questa tecnologia è emersa agli albori dell'era industriale, quando è diventato possibile realizzare gadget in metallo come questi su larga scala.

Oggi, questi dispositivi tengono letteralmente insieme il mondo. I nostri stili di vita del 21° secolo non sarebbero possibili senza di loro e probabilmente svolgeranno un ruolo indispensabile per il prossimo futuro.

Eppure, in un mondo in cui le tecniche di produzione sono sempre più automatizzate, c'è un problema. Il processo di avvitamento e svitamento è ancora quello in cui gli esseri umani superano le macchine. I dispositivi robotici hanno difficoltà a localizzare le viti e le loro prese e quindi a manipolare efficacemente viti e cacciaviti.

Le forze assiali in azione durante l'avvitamento e lo svitamento risultano proporzionali alla coppia.

Entrano Dima Mironov e colleghi dello Skolkovo Institute of Science and Technology di Mosca, che vogliono automatizzare il processo per le fabbriche intelligenti del futuro.

Il loro piano è semplice. Utilizzando l'aptica, lo studio del senso del tatto, Mironov e compagni vogliono capire come gli esseri umani svolgono questi compiti e quindi costruire robot che utilizzano la stessa tecnica. E il loro lavoro ha svelato una legge fondamentale dell'avvitare (e svitare) che sta cominciando a renderlo possibile.

Gli esseri umani usano due diversi tipi di forza per portare a casa una vite o rilasciarla. Per prima cosa applicano una pressione o una forza assiale per spingere la vite nella sua sede. Applicano anche una forza di rotazione, o coppia, per girare la vite. La coppia richiesta dipende dall'attrito tra la vite e il materiale della presa, e questo dipende anche dallo stato della filettatura.

Un problema chiave nell'avvitamento è come evitare le camme, in cui il cacciavite perde la presa sulla testa della vite e scivola. Quindi Mironov e compagni sono particolarmente interessati a come gli umani lo evitano.

Per indagare, il team ha costruito un dispositivo per misurare sia la forza assiale che la coppia con risoluzioni inferiori a 0,1 newton nella direzione assiale e 0,003 newton-metri di coppia.

Hanno quindi chiesto a 10 uomini e donne di inserire ripetutamente una piccola vite, del tipo utilizzato nell'assemblaggio di smartphone, in una presa da tre millimetri. Le viti avevano una testa Phillips o una testa esagonale. Il team ha quindi misurato le forze coinvolte.

Si scopre che per avvitare e svitare con successo, gli esseri umani applicano una forza assiale proporzionale alla coppia. Durante l'avvitamento, questa forza raggiunge il massimo al termine dell'azionamento; questo schema si inverte durante lo svitamento.

C'è anche una periodicità in queste forze che deriva dal fatto che gli umani cambiano la presa mentre girano le mani e si riagganciano alla vite. Quindi Mironov e compagni guardano semplicemente alla forza massima esercitata durante ogni turno.

È così che hanno trovato lo schema universale delle forze di avvitamento e svitamento che possono portare a casa con successo una vite o rimuoverla. I risultati mostrano che le persone applicano una forza assiale alle viti per evitare lo slittamento del cacciavite (cam-out) e questa forza assiale è proporzionale alla coppia richiesta per l'avvitamento, affermano Mironov e co.

Il team ha anche scoperto che la forza richiesta dipende dal tipo di testa della vite: le viti con testa a croce richiedono una forza assiale significativamente maggiore per evitare le camme rispetto alle viti con testa esagonale. Quindi, data la stessa forza assiale, le teste esagonali hanno meno probabilità di scivolare rispetto alle teste Phillips.

Infine, Mironov e co hanno programmato un robot per ricreare lo stesso schema di forze. Questo robot è dotato di un cacciavite, una pinza per tenere la vite e una visione artificiale per posizionare la vite nella sua presa.

Il team ha quindi misurato le forze mentre il robot faceva il suo lavoro, prestando particolare attenzione ai cam-out, che si manifestano come un improvviso calo delle forze. Quando rileva una camma, il robot aumenta la forza assiale e continua.

Il robot ha funzionato bene. I risultati dello svitamento robotico concordano con i risultati degli esperimenti umani e dimostrano l'universalità delle condizioni dello svitamento riuscito, affermano Mironov e co.

Questi ricercatori fanno parte di un team che costruisce robot in grado di smontare i dispositivi elettronici, come gli smartphone, per riciclarli. Il progetto si chiama RecyBot e il suo obiettivo è creare un sistema robotico intelligente ad alta velocità per lo smantellamento dell'elettronica.

Questa è una sfida considerevole e uno dei più grandi mal di testa è svitare. Quindi la squadra almeno ha questo sotto la cintura. Ma la stessa tecnologia potrebbe essere applicata in un'ampia gamma di fabbriche intelligenti che devono assemblare e smontare componenti.

Ad ogni modo, l'umile vite sembra destinata a svolgere un ruolo altrettanto importante nel futuro come in passato.

Rif: arxiv.org/abs/1801.10386 : Haptics di avvitamento e svitamento per la sua applicazione nelle fabbriche intelligenti per lo smontaggio

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