Воздушные манипуляции выходят на новый уровень

Введение

Гриффин — студенческий проект Лаборатории автономных систем Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Наша миссия состоит в том, чтобы объединить летающую платформу с роботизированной рукой. При этом мы стремимся разработать робота, способного захватывать и манипулировать объектами в полете.

Установка противолавинной сетки или строительных лесов, прокладка линии электропередач или выполнение ремонтных работ на электростанции по-прежнему требуют человеческого труда. Часто эта работа опасна или находится в труднодоступном месте. Таким образом, необходимы многочисленные меры предосторожности, и, как правило, большие машины, такие как краны, должны быть сначала настроены, прежде чем можно будет начать работу. Кроме того, материалы часто приходится перевозить на вертолете. В результате этот вид работ является медленным и дорогим.

Мы в Griffin считаем, что дроны — это идеальное решение, позволяющее сделать эту работу более безопасной, эффективной и дешевой. Проблема с технологиями дронов на данный момент заключается в том, что дроны еще не способны точно и надежно взаимодействовать с окружающей средой. Упомянутые выше приложения требуют максимальной надежности и точности, потому что ошибки недопустимы.

В рамках нашего основного проекта мы стремимся поднять манипуляции с воздухом на новый уровень. То есть мы хотим продемонстрировать способность дронов подбирать и размещать объекты в любой ориентации. Одновременно прилагая силу или крутящий момент, наш дрон сможет не только транспортировать объекты, но, что более важно, также сможет взаимодействовать с окружающей средой. Превратив дрон из простого летательного аппарата в летающий манипулятор, людям больше не нужно будет выполнять опасные строительные работы.

Что представляет собой наш проект?

Несколько концептуальных идей.

Целью проекта было создание инновационного прототипа воздушного манипулятора, который существенно отличался бы от существующих конструкций за счет интеграции манипулятора в конструкцию. Для этого необходимо было смоделировать воздушную платформу вокруг манипулятора, целью которого является исправление позиционной ошибки самого MAV (микролетательного аппарата). Воздушный манипулятор должен иметь возможность выполнять различные задачи, начиная от задач выбора и размещения и заканчивая манипулированием предопределенными объектами. Кроме того, дизайн должен иметь возможность взаимодействовать со своей средой в любой мыслимой ориентации, чтобы обеспечить высокую гибкость в достижимых задачах.

Система, которую мы разработали и построили, была совершенно новой. Чтобы обеспечить его новизну, наши идеи и процессы создания руководствовались такими вопросами, как «почему в большинстве конструкций MAV пропеллеры расположены в одной плоскости?». Изучив множество исследовательских работ, мы узнали, что большинство реализаций воздушного манипулятора остаются относительно простыми; в большинстве случаев они состоят из уже установленной платформы летательного аппарата, например квадрокоптера или гексакоптера, с прикрепленным к нему манипулятором.

Первый рисунок дрона.

Наша концепция дрона (см. изображение выше), названного PrisMAV, во многом была вдохновлена ​​дельта-принтером 3D. Он имеет форму призмы, к которой прикреплены наклоняемые роторные группы. Ранние конструкции имели четыре группы передних роторов, которые позже были сокращены до трех. Линейный дельта-манипулятор имеет призматические шарниры, которые перемещаются по структуре МАВ. Повторим еще раз: основная идея PrisMAV заключалась в том, чтобы включить манипулятор в структуру MAV, а не прикреплять его к существующей платформе дрона. Следовательно, необходимая электроника была установлена ​​внутри призмообразной конструкции, защищающей их от ударов. Для этого манипулятор можно втянуть внутрь конструкции.

Чтобы уменьшить помехи на платформе при перемещении манипулятора, мы решили использовать дельта-манипулятор. Благодаря этому мы смогли уменьшить вес на концевом рабочем органе, что, следовательно, уменьшило возмущения на платформе при перемещении манипулятора.

Кроме того, мы используем трикоптерные конфигурации при старте и посадке. Здесь манипулятор направлен вниз во время взлета и посадки. Чтобы воздушный манипулятор мог взаимодействовать с окружающей средой, необходим рабочий орган, способный захватывать различные формы. Поэтому мы выбрали податливый пальцевый механизм, который адаптирует свою форму к захватываемым объектам и способен прочно удерживать на месте предметы весом до 500 граммов во время полета.

Имея в виду эти идеи, команда приступила к разработке CAD PrisMAV. Чтобы команда оставалась синхронизированной, мы сначала разработали фундаментальную концепцию (см. изображение ниже), в которой мы определили построенное пространство для всех различных компонентов.

Фундаментальная концепция PrisMAV.

Кроме того, мы сотрудничали с тренерами из ASL, что привело к окончательному дизайну нашей системы.

Доработанная модель САПР.

Затем этот дизайн был превращен в полномасштабный прототип. Используемые материалы различаются, и для создания определенных частей прототипа использовались разные методы. Например, структура нашей системы состоит из углеродного волокна, а алюминиевые детали, фрезерованные на станках с ЧПУ, были использованы для обеспечения жесткости в критических секциях печатных секций SLS.

Готовый прототип,

После сборки PrisMAV пришло время протестировать систему, точнее манипулятор и саму платформу. Тест выявил некоторые слабые места; однако в целом конструкция смогла сохранить свою целостность. Таким образом, мы приступили к соединению манипулятора и платформы вместе.

Создание системы было только первой половиной проекта; затем нам нужно было внедрить программное обеспечение, чтобы гарантировать, что PrisMAV работает, как планировалось. Следующим шагом была проверка возможностей рабочего органа в отношении удержания заданной уставки во время полета. На приведенных ниже графиках показаны результаты, на которых видно положение теоретически фиксированного концевого эффектора (красная линия) по сравнению с рабочим манипулятором (оранжевая линия).

Графики, которые показывают компенсацию ошибок нашего манипулятора.

Уверенные в результатах испытаний, команда затем заставила дрон выполнить некоторые тесты манипулирования воздухом, чтобы выбрать и разместить объекты, наклоненные по-разному. Процедуру можно увидеть на видео:

Какую проблему решает наш проект?

Чтобы проиллюстрировать важность этого проекта, следует подумать, например, об альпийской среде. Однако в таких условиях требуется человеческий труд, поскольку окружающая инфраструктура должна быть защищена от камнепадов. Здесь необходимо установить противолавинные сетки, для чего требуются специализированные рабочие. Из-за природных характеристик этих сред этим работникам приходится выполнять свою работу в большой опасности.

В нашем проекте мы стремимся найти решение, которое поможет справиться с такими опасными задачами, подняв границы воздушных манипуляций на новый уровень.

Каково текущее состояние дел в нашем секторе?

Несмотря на то, что микролетательные аппараты (MAV) получили значительное распространение за последние пару десятилетий, их использование в промышленных условиях было ограничено пассивными приложениями, такими как визуальный осмотр, сбор данных, наблюдение или относительно простые такие задачи, как распыление пестицидов.

Активные приложения, такие как взаимодействие с объектами или миссии по захвату и размещению, которые в широком смысле можно охарактеризовать как манипуляции с воздухом, еще не закрепились в отрасли, хотя такие задачи являются обычными для наземных и подводных роботов. Это можно объяснить их повышенной сложностью по сравнению с обычными MAV, что ограничивает их областью изучения в академических кругах. Возможные области применения воздушного манипулятора огромны: от строительства линий электропередач или установки противолавинных сеток до мытья окон небоскребов.

Кто стоит за проектом?

Команда Гриффина состоит из восьми студентов-бакалавров, работающих в Лаборатории автономных систем (ASL) Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Наш проект должен продемонстрировать потенциал воздушных манипуляций и побудить инженеров перепроектировать и переосмыслить существующие системы и вдохновить новый энтузиазм в этой области. PrisMAV должен выступать в качестве основы для дальнейшего развития и помогать будущим фокусным проектам в ASL, чтобы получить более глубокое понимание воздушных манипуляций.

Муха летает по запаху-дрому — для науки | Аманда | Нейрографический

Мозг дрозофилы . Выходные нейроны в клубочках антенных долей помечены зеленым флуоресцентным белком. Изображение: Hokto Kazama/RIKEN Brain Science Institute

Банановая эссенция. Яблочный уксус. Десерт из миндального желе. Мэнцую. Это лишь некоторые из запахов, проверенных на мухах в лаборатории Хокто Казамы — последний запах вы можете узнать по бульону на основе соевого соуса в супе с лапшой. Эти и другие запахи обрабатываются в части мозга мухи, чуть больше половины ширины человеческого волоса (здесь мы говорим о плодовых мушках, а не о домашних мухах, так что все даже меньше, чем вы себе представляли). То, что происходит в антенной доле, как известно, очень похоже на деятельность обонятельной системы человека, согласно Казаме, потому что проводка у мух, людей и промежуточных видов практически одинакова. Для зондирования этой активности они используют — что еще? — арена запахов виртуальной реальности (к сожалению, это не предполагает примерки мух с миниатюрными очками виртуальной реальности). На арену можно последовательно подавать более 80 различных одорантов. Все, что нужно сделать мухе, это, ну,

fly, , который удерживается на месте коротким тросом. Если ему нравится запах, он останется в шлейфе запаха; если нет, он отклонится. Вопрос о том, делает ли муха эстетический выбор, является предметом споров, но поведение — влечение или отвращение к запахам — может многое рассказать о характере и скорости реакции мухи на окружающую среду.

Для человеческого глаза экспериментальная летная арена может показаться очень примитивным авиасимулятором. Светодиоды создают вертикальные узоры из зеленых полос, которые смещаются в соответствии с навигацией мухи, давая мухам (и людям-экспериментаторам) представление о том, что они «прямо вперед». Когда муха заключена в экспериментальную коробку и освещается только инфракрасным светом, никакой другой визуальной стимуляции нет. Однако чего в изобилии, так это запахов. Предоставление контролируемой батареи запахов мухе при одновременном отслеживании ее поведения и активности мозга — это один из способов, которым нейробиологи пытаются расшифровать нейронный код: то, как сенсорная информация представлена ​​в мозгу и как она влияет на принятие решений. Для таких исследователей, как Казама из Института исследований мозга RIKEN, мотивация для взлома этого кода заключается в том, что он может выявить универсальные закономерности обработки информации, которые позволят предсказывать результаты, такие как предпочтения или действия.

Принятие решений мухой, по крайней мере, в том, что касается запахов, обеспечивается многими из 50 или около того пучков мозговых клеток, называемых клубочками, в доле усиков. Раньше люди думали, что мухи используют информацию только от двух или трех клубочков для принятия решений на основе запаха. Перекрытие в пространстве запахов на самом деле намного больше: Казама и его коллеги обнаружили, что запах регистрируется в среднем восемью клубочками, а данный клубочек реагирует примерно на 20 запахов. Это было достигнуто с помощью микроскопа и метода, называемого визуализацией кальция, при котором флуоресценция в различных областях мозга указывает на активность нейронов в ответ на запахи.

Световая активация заставляла мух думать, что запахи приятные или неприятные

Взяв за основу нейронную активность мух, исследователи рассмотрели, как она соотносится с предпочтениями в отношении запахов. Выход из клубочков очень линейно коррелировал со шкалой запаха, полученной из поведения мух. Эта корреляция стала центральной частью математического уравнения для расшифровки активности мозга, связанной с запахами. Авторы проверили эту идею с различными смесями запахов и действительно смогли предсказать, останутся ли мухи в шлейфах запахов или покинут их, даже для совершенно новых запахов. «Сложный сенсорный сигнал окружающей среды, такой как запах, кодируется большой популяцией нейронов, — говорит Казама, — но на самом деле мозг мухи довольно просто преобразует его в действие».

Математическое уравнение было дополнительно подтверждено экспериментальной манипуляцией, в ходе которой один из клубочков был поражен лазером, также известным как оптогенетика. Таким образом, клетки мозга, генетически сконструированные таким образом, чтобы быть чувствительными к свету, могут включаться и выключаться по желанию. Исследователи могли настроить муху на привлечение или отвращение к определенным запахам, активируя светом отдельные клубочки. На самом деле смещение было незначительным; ранее нейтральные запахи можно было подтолкнуть вверх или вниз по шкале запахов.