Hybrid Roller-Jamming Gripper for Object Acquisition and Retention Under Pose Uncertainty
यह शोध पत्र एक हाइब्रिड रोलर-जैमिंग ग्रिपर प्रस्तुत करता है जो महत्वपूर्ण पोज़ अनिश्चितता (pose uncertainty) के तहत मजबूत वस्तु अधिग्रहण और प्रतिधारण प्राप्त करने के लिए सक्रिय रोलर-संचालित सेवन (intake) को वैक्यूम-प्रेरित ग्रेनुलर जैमिंग के साथ जोड़ता है, जो अकेले किसी भी तंत्र का उपयोग करने वाले एब्लेशन अध्ययनों (ablation studies) के काफी कम प्रदर्शन की तुलना में 840 ग्रैस्प ट्रायल्स में 96.7% सफलता दर प्रदर्शित करता है।
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कल्पना कीजिए कि एक रोबोट बिखरी हुई मेज से दवा की बोतल उठाने या फर्श पर बिखरे मोज़े को उठाने की कोशिश कर रहा है। एक आदर्श प्रयोगशाला में, रोबोट को पता होता है कि वस्तु ठीक कहाँ है और वह किस स्थिति में रखी है। लेकिन एक वास्तविक घर में, वस्तुएं अक्सर छिपी हुई, झुकी हुई या दृष्टि से आंशिक रूप से बाधित होती हैं। जब एक रोबोट किसी अनुमान के आधार पर हाथ बढ़ाता है, तो वह अक्सर वस्तु के केंद्र को चूक जाता है, जिससे उसका संपर्क केवल एक कोने या किनारे से होता है। यह अपूर्ण प्रथम स्पर्श घरेलू रोबोटों के लिए एक बड़ी बाधा है। इसे हल करने के लिए, इंजीनियरों ने दो मुख्य प्रकार के रोबिक हाथों को विकसित किया है। एक प्रकार के हाथों में वस्तुओं के चारों ओर लिपटने वाली नरम, लचीली उंगलियां होती हैं, जबकि दूसरा प्रकार 'ग्रैनुलर जैमिंग' नामक एक विशेष तकनीक का उपयोग करता है, जहाँ सूक्ष्म कणों से भरी एक थैली को वैक्यूम के माध्यम से कस दिया जाता है ताकि वह कठोर होकर पकड़ बना सके। हालाँकि, नरम हाथों को गलत संरेखित (misaligned) वस्तु को सुरक्षित पकड़ में खींचने में संघर्ष करना पड़ सकता है, और जैमिंग वाले हाथों को प्रभावी ढंग से सख्त होने के लिए एक अच्छे और पूर्ण संपर्क की आवश्यकता होती है। यदि प्रारंभिक स्पर्श खराब है, तो जैमिंग वाला हाथ केवल एक छोटे, अस्थिर बिंदु पर लॉक हो सकता है और वस्तु को गिरा सकता है।
वासेदा यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नया रोबोटिक ग्रिपर बनाया है जो एक ही उपकरण में दोनों दुनियाओं के सर्वश्रेष्ठ गुणों को जोड़ता है। इस हाइब्रिड ग्रिपर में दो उंगलियां हैं, जिनमें से प्रत्येक के अंत में एक बड़ा, गोलाकार रोलर है जो सूक्ष्म कणों से भरी एक नरम, हवा से भरी झिल्ली (membrane) से बना है। यह उपकरण एक अव्यवस्थित वातावरण को संभालने के लिए दो अलग-अलग चरणों में कार्य करता है। सबसे पहले, जब उंगलियां किसी वस्तु को छूती हैं, भले ही संपर्क केंद्र से हटकर या अधूरा हो, रोलर्स अंदर की ओर घूमना शुरू कर देते हैं। यह रोलिंग गति सक्रिय रूप से वस्तु को ग्रिपर के केंद्र की ओर खींचती है, ठीक वैसे ही जैसे एक कन्वेयर बेल्ट किसी पैकेज को सही स्थान पर खींचती है। एक बार जब वस्तु अंदर आ जाती है और संपर्क सुरक्षित हो जाता है, तो दूसरा चरण शुरू होता है: रोलर्स में वैक्यूम लगाया जाता है। यह कणों से भरी झिल्लियों से हवा को बाहर खींच लेता है, जिससे वे तुरंत सख्त हो जाती हैं और वस्तु को मजबूती से लॉक कर देती हैं। परिणाम स्वरूप, यह एक ऐसा हाथ है जो पहले एक खराब दृष्टिकोण को ठीक कर सकता है और फिर मजबूती से पकड़ सकता है।
यह विचार काम करता है या नहीं, यह परीक्षण करने के लिए, टीम ने अपने प्रोटोटाइप को एक सात-जोड़ वाले रोबोटिक आर्म पर लगाया और परीक्षणों की एक विशाल श्रृंखला चलाई। उन्होंने घर में पाए जाने वाले विविध प्रकार के वस्तुओं का प्रतिनिधित्व करने के लिए आठ बहुत अलग वस्तुओं को चुना: एक पेन, एक मार्बल, एक बड़ा गैलन जग, एक प्लास्टिक कप, एक कागज का पन्ना, एक टी-शर्ट, एक प्रेशर गेज और एक केबल। प्रत्येक वस्तु के लिए, उन्होंने जानबूझकर त्रुटियां डालीं। कुछ परीक्षणों में, उन्होंने वस्तु की शुरुआती स्थिति को उसकी चौड़ाई के बीस प्रतिशत तक खिसका दिया, जो एक गलत अनुमानित दृष्टिकोण का अनुकरण था। अन्य में, उन्होंने रोबोट के हाथ को विभिन्न दिशाओं में दस डिग्री झुकाया ताकि एक अनाड़ी कोण के दृष्टिकोण की नकल की जा सके। उन्होंने इन परीक्षणों को सैकड़ों बार दोहराया, जिसमें कुल 840 अलग-अलग प्रयास किए गए। परिणाम आश्चर्यजनक थे। हाइब्रिड ग्रिपर उन 840 प्रयासों में से 812 में सफल रहा। यह स्थिति संबंधी त्रुटियों के प्रति विशेष रूप से मजबूत था, जो उन 216 प्रयासों में से 215 में सफल रहा जहाँ वस्तु को खिसकाया गया था। इसने झुके हुए दृष्टिकोणों को भी अच्छी तरह से संभाला, जो 624 परीक्षणों में से 597 में सफल रहा।
यह समझने के लिए कि सिस्टम के प्रत्येक भाग ने कितना योगदान दिया, शोधकर्ताओं ने प्रयोगों का एक दूसरा सेट चलाया जहाँ उन्होंने विशिष्ट विशेषताओं को बंद कर दिया। जब उन्होंने रोलिंग गति को अक्षम कर दिया और ग्रिपर को केवल जैमिंग पर निर्भर रहने दिया, तो सफलता दर काफी गिर गई, विशेष रूपकर पेन और केबल जैसी पतली या अनियमित वस्तुओं के लिए। रोलर्स के बिना जो वस्तु को बेहतर स्थिति में खींच सकें, जैमिंग तंत्र अक्सर एक कमजोर, आंशिक संपर्क पर लॉक हो गया और विफल रहा। इसके विपरीत, जब उन्होंने जैमिंग को अक्षम कर दिया और ग्रिपर को केवल रोलिंग पर निर्भर रहने दिया, तो वह अक्सर वस्तु को पकड़ तो लेता था लेकिन उसे सुरक्षित रूप से थामने में संघर्ष करता था, विशेष रूप से गैलन जग जैसी भारी वस्तुओं के साथ। रोलिंग गति अधिग्रहण (acquisition) के लिए उत्कृष्ट थी, लेकिन रिटेंशन (retention) के लिए जैमिंग आवश्यक थी। पूर्ण हाइब्रिड सिस्टम, जो पकड़ को ठीक करने के लिए रोलिंग और उसे लॉक करने के लिए जैमिंग का उपयोग करता है, सबसे विश्वसनीय तरीका साबित हुआ।
अध्ययन बताता है कि सक्रिय गति के साथ निष्क्रिय सुदृढ़ीकरण (passive stiffening) को जोड़ना अप्रत्याशित वातावरण में काम करने वाले रोबोटों के लिए एक शक्तिशाली रणनीति है। हालांकि वर्तमान प्रोटोटाइप अभी भी एक प्रयोगशाला उपकरण है जिसे प्रत्येक विशिष्ट वस्तु के लिए सावधानीपूर्वक अंशांकन (calibration) की आवश्यकता होती है, इसका मूल तंत्र प्रमाणित हो चुका है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पकड़ को सख्त करने से पहले वस्तु को सक्रिय रूप से अंदर खींचने की क्षमता रोबोट को उन अपूर्ण शुरुआत से उबरने की अनुमति देती है जो अन्य ग्रिपर्स को विफल कर सकती हैं। यह कार्य उन रोबोटों की ओर एक ठोस कदम है जो मानव घर की अव्यवस्थित वास्तविकता में नेविगेट कर सकते हैं, जिससे एक अनाड़ी पहुंच को एक सुरक्षित पकड़ में बदला जा सके।
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