Un robot que controla herramientas altamente flexibles

RoboCut también puede tallar corazones.

¿Cómo se calculan los movimientos coordinados de dos brazos robóticos para que puedan guiar con precisión una herramienta altamente flexible? Los investigadores de ETH han integrado todos los aspectos de los cálculos de optimización en un algoritmo. Se utilizará un cortador de hilo caliente, entre otras cosas, para desarrollar bloques de construcción para una estructura sin mortero.

Un recién nacido mueve sus brazos y manos en gran parte de manera aleatoria y sin dirección. Tiene que aprender a coordinarlos paso a paso. Se requieren años de práctica para dominar los movimientos finamente equilibrados de un violinista o un calígrafo. Por lo tanto, no sorprende que los cálculos avanzados para el movimiento óptimo de dos brazos robóticos para guiar una herramienta con precisión impliquen tareas de optimización extremadamente desafiantes. La complejidad también aumenta mucho cuando la herramienta en sí no es rígida, sino flexible en todas las direcciones y se dobla de manera diferente según su posición y movimiento.

Simon Dünser del grupo de investigación de Stelian Coros en el Instituto de Sistemas Interactivos Inteligentes ha trabajado con otros investigadores para desarrollar un hot-cable robot cortador con un alambre que se dobla flexiblemente mientras trabaja. Esto le permite crear mucho más formas complejas en significativamente menos cortes que los sistemas anteriores, donde el cable calentable eléctricamente es rígido y, por lo tanto, solo puede cortar superficies regladas de plásticos fusibles con una línea recta en cada punto.

Tallando conejos y diseñando fachadas

Por el contrario, el RoboCut de los científicos informáticos de ETH no se limita a planos, cilindros, conos o superficies de silla de montar, sino que también puede crear ranuras en un bloque de plástico. La mayor ventaja, sin embargo, es que la flexión específica del cable significa que se necesitan muchos menos cortes que si la forma objetivo tuviera que aproximarse utilizando superficies regladas. Como resultado, el alambre flexible se puede utilizar para crear la figura de un conejo sentado a partir de un bloque de poliestireno mediante solo diez cortes con una precisión similar a la de un tallado en madera. El contorno del conejo se vuelve claramente reconocible después de solo dos cortes.

Además de la mejora fundamental de los métodos tradicionales de hilo caliente, el proyecto RoboCut también tiene en mente otros objetivos de aplicación específicos. Por ejemplo, en el futuro la tecnología podría utilizarse en arquitectura para producir moldes de poliestireno individuales para piezas de hormigón. Esto permitiría un diseño más variado de fachadas y el desarrollo de nuevos tipos de sistemas de construcción modular.

Tres optimizaciones vinculadas simultáneamente

Para Dünser, los desafíos científicos fueron el foco del proyecto. «Los complejos cálculos de optimización son lo que hace que RoboCut sea especial. Estos son necesarios para encontrar las trayectorias de herramienta más eficientes posibles mientras se funde la forma deseada del bloque de poliestireno con la mayor precisión posible», explica el científico.

Científicos informáticos de ETH han desarrollado un robot de corte por hilo caliente que guía herramientas altamente flexibles con tanta precisión que es capaz de tallar un conejo. Crédito: ETH Zürich / Laboratorio de robótica computacional

Para mover el cable de forma controlada, se conectó a un robot Yumi de dos brazos de ABB. Primero, la reacción del alambre a los movimientos del brazos robóticos había que calcular. Las posiciones que conducirían a una colocación inestable del cable o donde hubiera riesgo de rotura del cable se determinaron mediante simulaciones y luego se eliminaron.

Los investigadores de ETH pudieron desarrollar la optimización real sobre esta base. Esto tenía que tener en cuenta tres aspectos vinculados simultáneamente. A nivel físico, era importante predecir el doblado y movimiento controlado del alambre para poder realizar los cortes deseados. En cuanto a la forma, se tuvo que determinar una secuencia de corte que efectuara una aproximación altamente precisa de la superficie a la forma objetivo en el menor número de pasos posible. Por último, había que descartar colisiones con piezas del robot o su entorno y cortes no intencionados.

Prevención de malos mínimos

Dünser es uno de los primeros científicos en lograr integrar todos los parámetros de esta compleja tarea en un algoritmo de optimización global. Para ello, diseñó una metodología estructurada basada en el objetivo principal de que el cable siempre corte lo más cerca posible de la superficie del objeto de destino. A todas las demás restricciones se les asignaron costos y estos se optimizaron como un total.

Sin embargo, sin otros dispositivos, tales cálculos siempre caen en mínimos locales, lo que conduce a un resultado final sin sentido. Para evitar esto, en un primer paso, Dünser eliminó la función de costo, por así decirlo, y comenzó el cálculo con un corte que inicialmente solo se adaptó aproximadamente a la forma del objetivo. Luego, la simulación de corte se acercó gradualmente a la forma objetivo hasta que se logró la precisión deseada.

Método con potencial versátil

El método desarrollado por Dünser no se limita solo al corte con hilo caliente. El diseño de trayectorias de herramientas para otras tecnologías de corte y fresado también podría beneficiarse en el futuro. El método crea un grado mucho mayor de alcance para la simulación, particularmente en la generación de formas complejas no rotacionalmente simétricas.

El mecanizado por descarga eléctrica con cables podría beneficiarse directamente de esto, ya que esta tecnología permite el corte de alta precisión de materiales eléctricamente conductores a través de la ablación por chispa. En el futuro, esto podría implicar cables de electrodos flexibles. Esto significa que, al igual que con el corte de plástico con alambre caliente, se pueden realizar cortes más complicados y, por lo tanto, más eficientes con mayor facilidad que con los alambres rígidos actuales.

Se está planificando una aplicación específica para RoboCut junto con un grupo de investigación de EPF Lausanne. Con la ayuda de una versión a gran escala del robot de corte por hilo caliente, sistemática bloques de construcción para la construcción de estructuras libres de mortero y se desarrollarán tecnologías de fijación. Los elementos mismos deben mantenerse unidos de manera estable. En el futuro, el robot también debería utilizarse para cortar los moldes de poliestireno con los que se vierten los distintos ladrillos en el hormigón. El cortador de plástico inteligente también crea la tecnología de construcción de hormigón del mañana.

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