برای ساده‌سازی این فرآیند، مرکز ملی روباتیک هسته‌ای به رهبری آزمایشگاه روباتیکِ حداکثر در دانشگاه بیرمنگام در بریتانیا در حال تحقیق در مورد گزینه‌های مدیریت خودکار زباله‌های هسته‌ای است. سیستم کمکی روباتی که در آنجا توسعه یافته است، کنترل "مشترک" را برای انجام کارهای پیچیده دستکاری با استفاده از بازخورد لمسی و اطلاعات بینایی ارائه شده توسط دوربین سه بعدی امکان پذیر می کند. اپراتور که همیشه در حلقه حضور دارد، می‌تواند در صورت خرابی سیستم، کنترل روی اقدامات خودکار روبات را حفظ کند.
کاربرد
هرکسی که تا به حال یک دستگاه چنگال زمین نمایشگاهی را امتحان کرده باشد، می‌تواند این مطلب را تأیید کند: کنترل دستی بازوهایِ گرفتن، اصلاً کار راحت و بدیهی‌ای نیست. تلاش‌های ناموفق در هنگام مدیریت و کار با زباله‌های رادیواکتیو می‌توانند به همان اندازه چشمگیر باشند که به هنگام چنگ زنی برای قاپیدن یک پوست خرگوش پُر شده انتظار دارید به آن آسیبی نرسد. برای جلوگیری از آسیب هایی که عواقب جدی برای انسان و محیط زیست دارد، روبات باید بتواند اشیاء رادیواکتیو موجود در صحنه را با دقت بسیار بالایی تشخیص دهد و با دقت عمل کند. اپراتور به معنای واقعی کلمه روبات را در دستان خود دارد، و تشخیص موقعیت های صحیح گرفتن روبات به عهده اوست. در عین حال، او باید سینماتیک معکوس (تحول به عقب) را به درستی ارزیابی کند و زوایای اتصال عناصر بازوی روبات را به درستی تعیین کند تا آن را به درستی قرار دهد و از برخوردها جلوگیری کند. سیستم کمکی توسعه یافته توسط محققان بریتانیایی این کار را بسیار ساده کرده و سرعت می بخشد: با یک روبات صنعتی استاندارد مجهز به گیره فک موازی و یک دوربین سه بعدی.
سیستم، به طور خودگردان اجسام زباله ناشناخته را اسکن می کند و یک مدل سه بعدی از آنها را در قالب یک ابر نقطه‌ای ایجاد می کند. این بسیار دقیق است زیرا دوربین های سه بعدی بر اساس اصل دید فضایی (دید استریو) که از دید انسان الگوبرداری شده است، کار می کنند. دو دوربین از موقعیت های مختلف، جسم را مشاهده می کنند. اگرچه محتوای تصویر هر دو تصویر دوربین یکسان به نظر می رسد، اما تفاوت هایی را در موقعیت اشیاء مشاهده شده نشان می دهد. از آن جایی که فاصله و زاویه دید دوربین ها و همچنین فاصله کانونی اپتیک مشخص است، نرم افزار Ensenso می تواند هماهنگی سه بعدی نقطه شیء را برای هر پیکسل تصویر مشخص کند. در این حالت، صحنه با استفاده از موقعیت‌های مختلف اسکن دوربین گرفته می‌شود و با هم ترکیب می‌شود تا یک سطح سه بعدی کامل از تمام زوایای دید به دست آید. روال‌های کالیبراسیون Ensenso به تبدیل ابرهای نقطه‌ای به یک سیستم مختصات جهانی کمک می‌کند، که تصویر مجازی کامل را بهبود می‌بخشد. بنابراین، ابر نقطه‌ای به‌دست‌آمده حاوی تمام اطلاعات شیء فضایی مورد نیاز برای فرافرستادن ارتباط صحیح گرفتن یا برش به ربات است.
تصویر: برش روباتیک نیمه خودگردان با هدایت دید سه بعدی آزمایشگاه Extreme Robotics Lab در محیط پرتوزا.
با کمک این نرم افزار، دوربین سه بعدی درک و ارزیابی اطلاعات عمق را برای اپراتور به عهده می گیرد که در نتیجه بار شناختی او به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. سیستم کمکی، ویژگیهای لمسی جسمی که باید در دست گرفته شود را با یک الگوریتم گرفتن خاص ترکیب می‌کند.
نارش مارتوری، پژوهشگر ارشد در مرکز ملی روباتیک هسته ای توضیح می دهد: "ابر صحنه توسط سیستم ما برای ایجاد خودکار چندین موقعیت گرفتن پایدار استفاده می شود. از آن جایی که ابرهای نقطه ای گرفته شده توسط دوربین سه بعدی با وضوح بالا و متراکم هستند، امکان ایجاد موقعیت های بسیار دقیق برای گرفتن هر شیء در صحنه وجود دارد. در این مورد، "الگوریتم رتبه بندی فرضیه" ما، شیء بَعدی را که باید بر اساس موقعیت فعلی روبات انتخاب کنیم، تعیین می کند. "
(این اصل شبیه به بازی مهارتی Mikado است، که در آن باید هر بار یک چوب بدون حرکت دادن هیچ چوب دیگری برداشته شود).
هدایت مسیر تعیین شده روبات را قادر می سازد تا به آرامی و به طور یکنواخت در مسیر مورد نظر به سمت موقعیت گرفتن هدف حرکت کند. مانند یک سیستم ناوبری، این سیستم از اپراتور پشتیبانی می کند تا در صورت لزوم، بازوی روبات را به سمت گرفتن ایمن هدایت کند، همچنین از کنار اشیاء ناشناخته و خطرناک دیگر رد کند. این سیستم یک راهرو ایمن را برای این کار محاسبه می کند و به اپراتور کمک می کند تا از طریق بازخورد لمسی از راهرو خارج نشود.
این سیستم حرکات طبیعی دست اپراتور را دقیقاً و با اطمینان به صورت بلادرنگ با حرکات مربوطه روبات ترسیم می کند. بنابراین اپراتور همیشه کنترل دستی را حفظ می کند و می تواند در صورت خرابی قطعه، کنترل را به عهده بگیرد. او به سادگی می تواند هوش مصنوعی را خاموش کند و با خاموش کردن "حالت بازخورد نیرو" به هوش انسانی برگردد. مطابق با اصل کنترل مشترک بین انسان و ماشین، بنابراین سیستم همیشه تحت کنترل باقی می ماند – که این در محیطی با بالاترین سطح خطر، ضروری است.
هدایت مسیر تعیین شده روبات را قادر می سازد تا به آرامی و به طور یکنواخت در مسیر مورد نظر به سمت موقعیت گرفتن هدف حرکت کند.
دوربین
دکتر نارش مارتوری می‌گوید: «برای تمام کارهای برنامه‌ریزی گرفتنِ خودگردان، کنترل از راه دور و ردیابی اشیاء بصری، از دوربین‌های سه بعدی Ensenso N35 با LEDهای آبی (465 نانومتر) نصب شده بر روی افکتور انتهایی روبات‌ها همراه با ابزارهای دیگر استفاده می‌کنیم. اکثر سیستم های آزمایشگاه روباتیک حداکثر تاکنون به یک دوربین سه بعدی مجهز شده اند. با این حال، اخیراً برای سرعت بخشیدن به فرآیند ساخت مدل‌های سه بعدی، سیستم‌های خود را ارتقا داده‌ایم تا از سه دوربین سه‌بعدی روی صحنه و یک دوربین روی روبات استفاده کنیم.»سری Ensenso N برای این کار از پیش تعیین شده است. این سری به طور ویژه برای استفاده در شرایط محیطی سخت طراحی شده است. به لطف طراحی جمع و جور خود، سری N به همان اندازه برای استفاده ثابت یا متحرک در بازوی روبات برای تشخیص سه بعدی اجسام متحرک و ساکن مناسب است. حتی در شرایط نوری دشوار، پروژکتور یکپارچه با استفاده از یک ماسک الگو با الگوی نقطه‌ای تصادفی، بافتی با کنتراست بالا را بر روی جسم ایجاد می‌کند، بنابراین ساختارهایی را تکمیل می‌کند که روی سطح آن وجود ندارند یا فقط ضعیف هستند.
محفظه آلومینیومی مدل های N30 ، اتلاف حرارت بهینه قطعات الکترونیکی و در نتیجه خروجی نور پایدار را حتی در شرایط محیطی شدید تضمین می کند. این امر کیفیت و استحکام مداوم داده های سه بعدی را تضمین می کند. حتی در شرایط نوری دشوار، پروژکتور یکپارچه با استفاده از یک ماسک الگو با الگوی نقطه‌ای تصادفی، بافتی با کنتراست بالا را بر روی جسم ایجاد می‌کند، بنابراین ساختارهایی را تکمیل می‌کند که روی سطح آن وجود ندارند یا فقط ضعیف هستند.
دوربین های خانواده دوربین های Ensenso N به راحتی از طریق Ensenso SDK تنظیم شده و کار می کنند . پردازش تصویر مبتنی بر GPU را برای پردازش سریع‌تر داده‌های سه بعدی ارائه می‌کند و خروجی یک ابر نقطه‌ای سه‌بعدی را از همه دوربین‌های مورد استفاده در عملکرد چند دوربین، که در این مورد لازم است، و همچنین ترکیب زنده ابرهای نقطه ای سه‌بعدی از چندین جهت مشاهده را امکان‌پذیر می‌کند. برای سیستم کمکی، محققان نرم افزار خود را در C++ برای پردازش ابرهای نقطه سه بعدی که توسط دوربین ها گرفته شده است، توسعه داده اند.
دکتر نارش مارتوری توضیح می‌دهد: «نرم‌افزار ما از Ensenso SDK (چند رشته‌ای) و روال‌های کالیبراسیون آن برای پوشاندن بافت روی ابرهای نقطه‌ای با وضوح بالا و سپس تبدیل این ابرهای نقطه‌ای بافت‌دار به یک سیستم مختصات جهانی استفاده می‌کند. ادغام Ensenso SDK با نرم افزار C++ ما نسبتاً آسان است. عملکردها و روش‌های ساده مختلفی را برای گرفتن و مدیریت ابرهای نقطه‌ای و همچنین تصاویر دوربین ارائه می‌دهد. علاوه بر این، با پشتیبانی CUDA، روال‌های SDK ما را قادر می‌سازد تا چندین ابر نقطه‌ای با وضوح بالا را ثبت کنیم تا ابرهای صحنه با کیفیت بالا در فریم جهانی تولید کنیم. این برای ما بسیار مهم است، به خصوص برای ایجاد فرضیه گرفتن دقیق. »
تصویر: دکتر نارش مارتوری ، پژوهشگر ارشد در روباتیک (سمت چپ)، ماکسیم Adjigble، مهندس تحقیقات روباتیک (راست)
مزایای اصلی سیستم
* اپراتورها نیازی به نگرانی در مورد عمق صحنه یا نحوه رسیدن به جسم یا محل گرفتن آن ندارند. این سیستم می‌تواند همه چیز را در پس‌زمینه تشخیص دهد و به اپراتور کمک می‌کند تا دقیقاً به مکانی حرکت کند که روبات بتواند به بهترین شکل شیء را بگیرد.* با بازخورد لمسی، اپراتورها می توانند روبات را در دست خود احساس کنند حتی زمانی که روبات در مقابل آنها حضور ندارد.
* با ترکیب لمسی و برنامه ریزی برای گیرش، اپراتورها می توانند اشیاء را در یک صحنه از راه دور بسیار آسان و بسیار سریع با بار شناختی بسیار کم حرکت دهند.
این باعث صرفه جویی در زمان و هزینه، جلوگیری از خطا و افزایش ایمنی می شود.
چشم انداز
محققان در آزمایشگاه روباتیک حداکثر در بیرمنگام در حال توسعه روشی هستند که امکان استفاده از دست چند انگشتی را به جای گیره فک موازی فراهم می کند. این باید انعطاف پذیری و قابلیت اطمینان را هنگام گرفتن اشیاء پیچیده افزایش دهد. در آینده، اپراتور همچنین می‌تواند نیروهایی را که انگشتان روبات کنترل از راه دور در هنگام گرفتن یک شیء در معرض آن قرار می‌گیرند، احساس کند. روش‌های گرفتن کاملاً خودگردان نیز در حال توسعه هستند که در آن بازوی روبات توسط یک هوش مصنوعی کنترل می‌شود و توسط یک سیستم بینایی خودکار هدایت می‌شود. این تیم همچنین در حال کار بر روی ابزارهای تجسم برای بهبود همکاری انسان و روبات برای کنترل روبات های راه دور از طریق یک سیستم "کنترل مشترک" است.این یک رویکرد امیدوارکننده برای ایمنی و سلامت همه ما است: رسیدگی به اشیاء خطرناک مانند زباله های هسته ای در نهایت برای همه ما نگران کننده است. دوربین های سه بعدی با ثبت مطمئن اطلاعات مربوط به اشیا، سهم مهمی در این وظیفه رایج جهانی افزایش فوریت دارند.
سیستم های روباتیک برای از کار انداختن ایمن هسته ای
روبات ها و سیستم های مربوطه توانایی خود را در سخت ترین کاربردهای صنعتی ثابت کرده اند. دانش و تجربه حاصل از دهه‌ها توسعه‌ی راه‌حل‌های با کارایی بالا را می‌توان به صنعت هسته‌ای منتقل کرد: در سراسر جهان، سیستم‌های روباتیک مبنایی را برای از بین بردن ایمن، به موقع و مقرون به صرفه تأسیسات هسته‌ای فراهم می‌کنند.چالش های از کار انداختن هسته ای
در سرتاسر اروپا، انرژی هسته‌ای در حال حذف شدن است و در مقیاس جهانی، تعداد بیشتری از رآکتورهای انرژی هسته‌ای در سال‌های اخیر بسته شده‌اند. از کار انداختن این تأسیسات در دهه های آینده به یک وظیفه اساسی تبدیل خواهد شد. بیش از نیمی از صدها رآکتور انرژی هسته‌ای که در سرتاسر جهان کار می‌کنند، عمر عملیاتی خود را به پایان رسانده‌اند یا نزدیک به پایان هستند.همچنین اصلاح زیست محیطی برای مکان هایی که برای فعالیت های مشابه مورد استفاده قرار گرفته اند ضروری است: تحقیقات هسته ای، آسیاب اورانیوم، آسیاب و پردازش مواد رادیواکتیو طبیعی. در چنین محیط‌های خطرناکی، روبات‌ها می‌توانند برای اطمینان از ایمنی کارگران انسانی مستقر شوند.
راهکارهایی برای صنعت از کار انداختن هسته ای
برای تأمین پیشرو راه حل های تولید و مونتاژ خودگردان در جهان، می توان بر اساس سال ها تجربه کار کرد. ما می دانیم که چگونه سیستم های روباتیکی را برای محیط هسته ای طراحی کنیم که با چالش های ویژه روبرو شوند: قوی، قابل اعتماد، ایمن و همچنین قادر به مقاومت در برابر یک محیط بسیار پرتوزا. تخصص در تعدادی از کاربردهای مختلف برای صنعت انحلال هسته ای لازم است، به عنوان مثال:* جابجایی و دسته بندی مواد زائد
* کاهش سایز
* کپسوله کردن جعبه
* درپوش و سواب زدن
* عملیات عمومی نگهداری در محفظه
درجه بالایی از مهارت با واحد کنترل جوی استیک
بسیاری از کارهای از کار انداختن نیاز به کار در محیط های متخاصم با انسان دارند. عملیات از راه دور و سیستم های روباتیک نقشی حیاتی در کاهش قرار گرفتن پرسنل در معرض پرتوهای یونیزان دارند. کنترل جوی استیک در این بازار منحصر به فرد است. این برای ارتباط یکپارچه با روبات توسعه یافته است.این واحد به اپراتور اجازه می دهد تا از یک روبات از راه دور در حالت دستی، حالت خودکار یا ترکیبی از این دو استفاده کند. توالی های برنامه ریزی شده به طور قابل توجهی بار کاری اپراتور را کاهش داده‌اند. این واحد که برای کار تا فاصله 100 متری از سلول پردازش طراحی شده است، انعطاف پذیری و کارایی عملیاتی بهتری را ارائه می دهد. این به ویژه برای کارهای پیچیده مانند بازیابی زباله های هسته ای، تفکیک و تسطیح مناسب است.
تصویر: واحد جوی استیک به اپراتور اجازه می دهد تا روبات را به صورت دستی با حداکثر شش درجه آزادی کنترل کند.
طیف گسترده ای از ابزارها و خدمات ارائه شده در دسترس است
به طور معمول، این فرآیندها را می توان به روش های مختلف انجام داد: از یک روال کاملاً خودکار تا نیمه خودکار یا حتی یک روال دستی با استفاده از کنترل جوی استیک. بسته هایی استاندارد وجود دارد یا می توان راه حل های خاص مشتری را طراحی کرد و ساخت.این شامل طراحی و ساخت ابزار، بر اساس تجهیزات تجاری خارج از قفسه است که برای استفاده در روبات ها سازگار شده است، مانند:
* قیچی هیدرولیک
* چنگ زن و فک های گیره با هدف عمومی
* ابزارهای حفاری، نصب مجدد/حذف پیچ، پمپاژ یا پاشش
* سایر ابزارهای مورد استفاده برای بازیابی و جابجایی ضایعات عمومی
خدمات موفقیت آمیز به صنعت از کار انداختن هسته ای
* سیستم های خودکار KUKA در برخی از بزرگترین تاسیسات انحلال در سراسر جهان استفاده می شود.* روبات های مورد استفاده در انحلال هسته ای در حال حاضر در بازار موجود هستند. آنها بیشتر در ریخته گری ها و خطوط تولید خودرو استفاده می شوند. برای راه‌حل‌های از کار انداختن هسته‌ای، فناوری استاندارد صنعتی اثبات‌شده با چالش‌های منحصربه‌فرد و اغلب پیچیده این صنعت تطبیق داده شده است.
* شرکای صنعتی در حال توسعه راه حل های مهندسی هسته ای در طول چرخه کامل سوخت هسته ای، از استخراج و غنی سازی تا تبدیل، هستند. برنامه های کاربردی در بسیاری از امکانات، دسته بندی زباله های سطح پایین و متوسط استفاده شده است.
* با همکاری آزمایشگاه هسته ای ملی، فناوری روبات و پتانسیل آن برای استفاده در کارخانه انکپسولاسیون جعبه سلافیلد ارزیابی شد. روبات ها با موفقیت عملیات مورد نیاز را انجام دادند تا اطمینان حاصل شود که ضایعات می توانند دستکاری شده و به یک محصول جامد مناسب تبدیل شوند.
منبع: kuka، roboticstomorrow
