Un robot che padroneggia strumenti altamente flessibili
Come si calcolano i movimenti coordinati di due bracci robotici che devono guidare con precisione un utensile altamente flessibile? I ricercatori dell'ETH hanno integrato tutti gli aspetti dei calcoli di ottimizzazione in un algoritmo. La fresa a filo caldo viene utilizzata, tra l'altro, per sviluppare blocchi di costruzione per una struttura senza malta.
Un neonato muove ancora le braccia e le mani in modo per lo più casuale e non diretto. Deve imparare la loro coordinazione passo dopo passo. Ci vogliono anni di pratica per ottenere i movimenti finemente sintonizzati di un violinista o di un calligrafo. Non sorprende quindi che precalcolare i movimenti ottimali di due bracci robotici che devono guidare con precisione un utensile sia un compito di ottimizzazione estremamente impegnativo. La complessità aumenta notevolmente se l'utensile stesso non è fisso, ma flessibile in tutte le direzioni e si piega in modo diverso a seconda della posizione e del movimento.
Simon Dünser del gruppo di ricerca di Stelian Coros dello Istituto per i sistemi interattivi intelligenti insieme ad altri ricercatori, ha sviluppato un robot di taglio a filo caldo il cui filo può essere piegato in modo flessibile durante il lavoro. Ciò consente di creare forme molto più complesse con un numero di tagli molto inferiore rispetto ai sistemi precedenti. Il filo riscaldabile elettricamente è rigido e può quindi tagliare solo le cosiddette superfici rigate, che contengono una linea retta in ogni punto, da plastiche fondibili.
Intagliare conigli e progettare facciate
Il RoboCut degli scienziati dell'ETH, invece, non si limita a piani, cilindri, coni o superfici a sella, ma è anche in grado di creare approfondimenti in un blocco di plastica, ad esempio. Il vantaggio più grande, tuttavia, è che la piegatura mirata del filo significa che sono necessari molti meno tagli rispetto a quando la forma target può essere approssimata solo con superfici rigate. Per esempio, la figura di un coniglio seduto può essere modellata da un blocco di polistirolo con la stessa precisione di una scultura in legno in soli dieci tagli utilizzando il filo piegabile. La sagoma del coniglio è chiaramente riconoscibile dopo soli due tagli.
Oltre al miglioramento fondamentale del metodo tradizionale a filo caldo, il progetto RobotCut persegue anche altri obiettivi applicativi specifici. In futuro, la tecnologia verrà utilizzata in architettura, ad esempio per produrre stampi individuali per parti in calcestruzzo a partire dal polistirolo. In questo modo, le facciate potrebbero essere progettate in modo più vario o potrebbero essere sviluppati nuovi sistemi di blocchi edilizi.
Tre ottimizzazioni allo stesso tempo
Per Dünser, le sfide scientifiche erano al centro del progetto. "La particolarità di Robocut sono i complessi calcoli di ottimizzazione. Questi sono necessari per trovare i percorsi dell'utensile più efficienti possibili e allo stesso tempo fondere la forma desiderata dal blocco di polistirene nel modo più preciso possibile", spiega lo scienziato.
Per poter muovere il filo in modo controllato, è stato collegato a un robot Yumi a due braccia di ABB. Il primo passo è stato calcolare come il filo avrebbe reagito ai movimenti dei bracci del robot. Le posizioni che determinano l'instabilità del filo o il rischio di rottura sono state determinate mediante simulazioni e quindi escluse.
Su questa base i ricercatori dell'ETH hanno potuto costruire l'ottimizzazione vera e propria. Si trattava di prendere in considerazione tre aspetti interconnessi allo stesso tempo. A livello fisico, è stato necessario prevedere la piegatura e il movimento controllato del filo per poter eseguire i tagli desiderati. A livello di forma, si doveva determinare una sequenza di taglio che portasse la superficie il più vicino possibile alla forma desiderata nel minor numero possibile di passaggi. Infine, non dovevano verificarsi collisioni con parti del robot e dell'ambiente circostante, né tagli involontari.
Prevenire i minimi insensati
Dünser è uno dei primi scienziati ad essere riuscito a integrare tutti i parametri di questo complesso compito in un algoritmo di ottimizzazione globale. A tal fine ha sviluppato una metodologia strutturata. L'obiettivo principale è che il filo tagli sempre il più vicino possibile alla superficie dell'oggetto da tagliare. Sono stati quindi assegnati dei costi a tutti gli altri vincoli e questi sono stati ottimizzati come somma.
Senza ulteriori accorgimenti, però, questi calcoli cadono sempre in minimi locali che portano a un risultato finale insensato. Per evitare che ciò accada, Dünser ha innanzitutto messo a punto la funzione di costo e ha iniziato il calcolo con un taglio che è stato inizialmente adattato in modo molto approssimativo alla forma target. La simulazione della sezione è stata poi gradualmente approssimata alla forma target fino a raggiungere la precisione desiderata.
Metodologia con diverse potenzialità
La metodologia sviluppata da Dünser non si limita al taglio a filo caldo. Anche la pianificazione di percorsi utensile per altre tecniche di taglio e fresatura potrebbe trarne vantaggio in futuro. Soprattutto quando si devono produrre forme complesse e non simmetriche in rotazione, il metodo apre un campo di applicazione molto più ampio per le simulazioni.
L'erosione a scintilla con fili potrebbe trarne un beneficio diretto. Questa tecnica permette di tagliare materiali elettricamente conduttivi con alta precisione utilizzando l'erosione a scintilla. In futuro potrebbero essere utilizzati fili elettrodici piegabili. Come nel caso del taglio a filo caldo delle materie plastiche, ciò consentirebbe di eseguire tagli più complicati e quindi più efficienti rispetto agli attuali fili rigidi.
Un'applicazione concreta del RoboCut è prevista insieme a un gruppo di ricerca dell'EPF di Losanna. Una versione su larga scala del robot di taglio a filo caldo sarà utilizzata per sviluppare blocchi sistematici per strutture edilizie prive di malta e di elementi di fissaggio. Gli elementi stessi devono rimanere uniti in modo stabile. In seguito, il robot verrà utilizzato anche per tagliare gli stampi in polistirolo con cui i vari blocchi da costruzione vengono gettati nel calcestruzzo. L'intelligente tagliatore di plastica sta quindi creando anche la tecnologia di costruzione del calcestruzzo di domani.
Letteratura di riferimento
Duenser S, Poranne R, Thomaszewski B & Coros S. RoboCut: Taglio a filo caldo con aste flessibili controllate da robot. ACM Trans. Graph. 39/4, articolo 98, 1-15, 2020. DOI: pagina esternahttps://doi.org/10.1145/3386569.3392465.