Robust Underwater Grasping of Sloped Objects with a Waterproof Passive Adaptive Gripper
यह शोध पत्र एक जलरोधी निष्क्रिय अनुकूली ग्रिपर (वॉटरप्रूफ पैसिव एडेप्टिव ग्रिपर) प्रस्तुत करता है जिसमें एक घूर्णन जोड़ और परिवर्तनशील-कठोरता वाले पैड हैं जो घरेलू अंतर्जलीय अनुप्रयोगों में सामान्य घर्षण और टॉर्क चुनौतियों को दूर करके जलमग्न वातावरण में ढलवां और असममित वस्तुओं की मजबूत, स्थिर पकड़ को सक्षम बनाता है।
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कल्पना कीजिए कि एक रोबोटिक हाथ रसोई के सिंक में जाकर एक गीले, फिसलन भरे मग को उठाने की कोशिश कर रहा है। वर्कशॉप की सूखी हवा में, एक मानक यांत्रिक हाथ हैंडल को मजबूती से पकड़ सकता है। लेकिन पानी के नीचे, नियम बदल जाते हैं। पानी एक लुब्रिकेंट (स्नेहक) के रूप में कार्य करता है, जो उस घर्षण (friction) को खत्म कर देता है जो आमतौर पर वस्तुओं को फिसलने से रोकता है। जब एक रोबोट किसी झुकी हुई या असमान वस्तु को उठाने की कोशिश करता है, जैसे कि शंकु के आकार का कप या घुमावदार रिम वाला कटोरा, तो पकड़ की कमी के कारण वस्तु हाथ से लुढ़क या फिसल जाती है। यह केवल एक मामूली असुविधा नहीं है; यह एक मौलिक बाधा है जो सर्विस रोबोटों को डिशवॉशर लोड करने या गीले काउंटर साफ करने जैसे रोजमर्रा के काम करने से रोकती है। इन गीले, घरेलू वातावरणों में सफल होने के लिए, एक मशीन को पकड़ने के ऐसे तरीके की आवश्यकता है जो उस उच्च घर्षण पर निर्भर न हो जिसे हम जमीन पर स्वाभाविक रूप से पाते हैं।
इलिनोइस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट समस्या के लिए एक समाधान विकसित किया है: एक वाटरप्रूफ रोबोटिक हाथ जिसे ढलवां, फिसलन भरी वस्तुओं को आश्चर्यजनक स्थिरता के साथ पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह उपकरण, जिसे वे 'पैसिव एडेप्टिव ग्रिपर' कहते हैं, अपनी पकड़ को लगातार समायोजित करने के लिए जटिल सेंसर या शक्तिशाली मोटरों का उपयोग नहीं करता है। इसके बजाय, यह एक चतुर यांत्रिक डिजाइन पर निर्भर करता है जो हाथ को उस वस्तु के अनुरूप खुद को भौतिक रूप से नया आकार देने की अनुमति देता है जिसे वह पकड़े हुए है। इस आविष्कार का मूल दो सरल लेकिन प्रभावी तंत्रों का संयोजन है। पहला, उंगलियां एक ऐसे जोड़ पर लगी होती हैं जो उन्हें स्वतंत्र रूप से झुकने और घूमने की अनुमति देता है। दूसरा, उंगलियों के सिरों को छोटे कणों से भरे नरम पैड्स से ढका जाता है, जो पिसी हुई कॉफी के समान होते हैं, और ये कण इस आधार पर सख्त या नरम हो सकते हैं कि उन्हें कितना दबाया जा रहा है।
ऐसे उपकरण की आवश्यकता तब स्पष्ट हुई जब शोधकर्ताओं ने उन वस्तुओं को देखा जिनका हम रोज उपयोग करते हैं। उन्होंने मापने वाले कप, मग और सॉस की बोतलों जैसे सामान्य रसोई के बर्तनों के कोणों को मापा, और पाया कि कई के किनारे ढलान वाले होते हैं। जब एक मानक, कठोर रोबोटिक उंगली ढलवां सतह को छूती है, तो वह अक्सर केवल एक बिंदु या एक पतली रेखा पर संपर्क बनाती है। गीले वातावरण में, संपर्क का यह छोटा क्षेत्र विफलता का कारण बनता है। जैसे ही रोबोट वस्तु को उठाने की कोशिश करता है, पानी घर्षण को कम कर देता है, और वस्तु बगल की ओर लुढ़कने या फिसलने लगती है, जिससे रोबोट उसे गिरा देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल उंगलियों को नरम बनाना पर्याप्त नहीं था, क्योंकि एक नरम उंगली जो अपने समग्र कोण को नहीं बदल सकती, वह अभी भी एक झुकी हुई वस्तु के लिए एक निश्चित ओरिएंटेशन प्रस्तुत करती है, जिससे वह टॉर्क (बल) अनसुलझा रह जाता है जो फिसलने का कारण बनता है।
इसे हल करने के लिए, टीम ने एक ऐसा ग्रिपर बनाया जहाँ उंगलियां घूम (pivot) सकती हैं। जब हाथ एक झुके हुए कप पर बंद होता है, तो जोड़ उंगली को तब तक घूमने की अनुमति देता है जब तक कि उसकी सतह कप के किनारे के समानांतर न हो जाए। यह सरल गति एक नाजुक, अस्थिर संपर्क बिंदु को एक विस्तृत, स्थिर सतह संपर्क में बदल देती है। ढलान के साथ उंगली को संरेखित करके, हाथ उस पार्श्व बल (sideways force) को समाप्त कर देता है जो अन्यथा वस्तु को उसकी पकड़ से बाहर धकेल देता है। यह वैश्विक स्व-संरेखण (global self-alignment) स्वचालित रूप से होता है, बिना किसी कंप्यूटर के यह बताए कि जोड़ को कहाँ जाना चाहिए। यह वस्तु के आकार के प्रति एक विशुद्ध रूप से यांत्रिक प्रतिक्रिया है।
एक बार जब उंगली संरेखित हो जाती है, तो दूसरा तंत्र कार्यभार संभाल लेता है। उंगलियों के सिरों पर लगे सॉफ्ट पैड्स छोटे कणों से भरे होते हैं। जब ग्रिपर पहली बार वस्तु को छूता है, तो ये पैड्स नरम और लचीले होते हैं, जिससे वे कप या कटोरे के आकार में पूरी तरह ढल जाते हैं, जिससे संपर्क का क्षेत्र बढ़ जाता है। जैसे ही रोबोट जोर से दबाता है, कणों को एक साथ आने के लिए मजबूर किया जाता है जब तक कि वे अपनी जगह पर लॉक न हो जाएं, जिसे 'जैमिंग' (jamming) प्रक्रिया कहा जाता है। यह संक्रमण नरम पैड को एक कठोर, भार-वहन करने वाली संरचना में बदल देता है जो फिसलने का विरोध करती है। शोधकर्ताओं ने इन पैड्स की सतह पर एक विशेष बनावट भी जोड़ी है: खांचों (grooves) की एक श्रृंखला। ये चैनल पानी की उस पतली परत को बाहर निकालने में मदद करते हैं जो अक्सर हाथ और वस्तु के बीच फंस जाती है, जिससे पैड को सतह के साथ सीधा संपर्क बनाने और घर्षण पुनः प्राप्त करने में मदद मिलती है।
टीम ने अपने आविष्कार का परीक्षण एक पानी के टैंक से विभिन्न वस्तुओं को खींचकर किया ताकि यह देखा जा सके कि उन्हें फिसलने के लिए कितने बल की आवश्यकता थी। उन्होंने अपने नए डिजाइन की तुलना मानक कठोर हाथों और स्थिर जोड़ों वाले हाथों से की। परिणाम स्पष्ट थे। पानी के नीचे एक झुकी हुई वस्तु को पकड़ते समय, नया ग्रिपर कठोर विकल्पों की तुलना में काफी अधिक ताकत के साथ पकड़ बनाए रखता है। परीक्षणों के एक सेट में, एडेप्टिव हाथ ने वस्तुओं को औसतन 9.75 न्यूटन के बल के साथ पकड़ा, जबकि एक फिक्स्ड-जॉइंट संस्करण केवल 7.71 न्यूटन ही प्रबंध कर सका। कणों से भरे पैड्स की तुलना ठोस, गैर-जैमिंग पैड से करने पर सुधार और भी नाटकीय था। जैमिंग पैड्स ने कठोर वाले की तुलना में लगभग दोगुने बल के साथ वस्तुओं को पकड़ा, जिससे सिद्ध हुआ कि पकड़ को लॉक करने की क्षमता पानी के नीचे स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण थी।
प्रयोगों से यह भी पता चला कि विभिन्न आकार पकड़ को कैसे प्रभावित करते हैं। तीव्र ढलान वाली वस्तुओं के लिए, उंगली के घूमने की क्षमता सबसे महत्वपूर्ण कारक थी, क्योंकि यह हाथ को एक स्थिर कोण खोजने में मदद करती है। सीधे, बेलनाकार (cylindrical) वस्तुओं के लिए, पैड्स पर खांचों वाली बनावट ने सबसे अच्छी पकड़ प्रदान की, संभवतः इसलिए क्योंकि खांचों ने सतह के साथ इंटरलॉक करने में मदद की। शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक के कप और धातु के डिब्बे से लेकर प्लेटों और कटोरों तक, विभिन्न प्रकार की वस्तुओं का परीक्षण किया। ग्रिपर की क्षमताओं के प्रदर्शन में, रोबोट ने सफलतापूर्वक पानी के नीचे इन वस्तुओं को उठाया और स्थानांतरित किया, भले ही वे तैर रही हों या उत्प्लावक (buoyant) हों। हालांकि कुछ हल्के वजन की वस्तुएं पानी की धाराओं और उनके स्वयं के तैरने के स्वभाव के कारण थोड़ी हिल गईं, लेकिन उनमें से कोई भी गिरी नहीं। ग्रिपर ने हर वस्तु पर सुरक्षित पकड़ बनाए रखी, चाहे वह एक छोटा प्लास्टिक कप हो या एक बड़ा फ्राइंग पैन।
इस डिजाइन की सफलता इसकी सरलता और अनुकूलन के लिए बाहरी ऊर्जा स्रोतों के बिना काम करने की इसकी क्षमता में निहित है। कठोरता बदलने के लिए हाथ को वैक्यूम पंप या ट्यूबों के जटिल नेटवर्क की आवश्यकता नहीं होती है; मोटर की दबाने वाली गति ही जैमिंग प्रभाव को ट्रिगर करने के लिए पर्याप्त है। पूरा सिस्टम वाटरप्रूफ बनाने के लिए सील किया गया है, जिसमें वह कैमरा भी शामिल है जो रोबोट को यह देखने में मदद करता है कि वह क्या पकड़े हुए है। एक स्व-संरेखित जोड़ और परिवर्तनशील-कठोरता वाले पैड का यह एकीकरण एक मजबूत समाधान बनाता है जो लंबे समय से अंडरवाटर रोबोटिक्स में बाधा बना हुआ है। वस्तु के कोण और सतह की फिसलन दोनों को संबोधित करके, यह ग्रिपर उन रोबोटों के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जिन्हें गीले, अस्त-व्यस्त मानव रसोई के वातावरण में काम करने की आवश्यकता है। यह कार्य सुझाव देता है कि रोबोटों को वास्तव में हमारे साथ रहने के लिए, उन्हें दुनिया के अनुसार ढलना होगा, न कि केवल उस दुनिया के अनुसार जो एक सूखे प्रयोगशाला में होती है।
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