С технической точки зрения: создание B.I.L.L. — часть II

В прошлом году мы запустили один из наших самых амбициозных проектов на сегодняшний день — Bot Initiated Longevity Lab (B.I.L.L.) — роботизированную систему для чистки и ремонта кроссовок.

Кульминация двухлетнего тесного сотрудничества с командой разработчиков Nike, B.I.L.L. был создан не только для того, чтобы продлить срок службы поношенных кроссовок, но и для того, чтобы захватывающим образом приблизить тему циркулярности к потребителям. Как Б.И.Л.Л. продолжает свое путешествие из Niketown London в европейскую штаб-квартиру Nike в Хилверсюме, мы встретились с двумя инженерами PCH, стоящими за его разработкой, Флорианом Борном (выдающееся аппаратное обеспечение) и Кристианом Кокоттом (сверхмощное программное обеспечение), чтобы поговорить об их уникальных процессах, проблемах и технология, благодаря которой это произошло.

Это продолжение предыдущего интервью. Читать Часть I здесь

Процесс чистки обуви заканчивается возможностью разместить заплатку на 3D-модели обуви — было ли сложно добиться такого взаимодействия?

СК | Да, это было ключевое взаимодействие, потому что в этот момент клиент в основном взаимодействует с роботом: он видит свою обувь в 3D и сообщает роботу, какие именно заплатки и где нужно поставить. Таким образом, это должно было быть весело и плавно с точки зрения пользовательского опыта, но также и надежно.

У нас есть 24 различных варианта патчей, из которых клиент может выбирать, и бесконечное количество мест на обуви для патчей, поэтому мы создали редактор патчей специально для этого взаимодействия. Поскольку все элементы управления находились в современном пользовательском веб-интерфейсе, мы использовали three.js для реализации редактора исправлений — это действительно крутая 3D-веб-библиотека.

Интересным вызовом здесь была калибровка физического пространства робота в соответствии с пространством нашего цифрового редактора. Мол, это обе 3D-среды, верно. Но управление тем, как роботы понимают расположение патча по отношению к обуви, означало, что нам нужно было выровнять системы координат, чтобы убедиться, что, когда я даю ему координату на обуви, оба робота понимают, где находится эта позиция в трехмерном пространстве, и ориентация и повороты понимаются так же.

Модель также должна была выглядеть точно так же, как она выглядит в реальной жизни, поэтому, когда вы наклеиваете заплатки на кроссовки, это выглядит так, как получится. Для этого мы создали оптическое приближение, что-то с хорошим визуальным качеством и, с точки зрения вычислений, все еще плавное и быстрое.

В то же время необходимо учитывать ограничения физического процесса, которых нет в цифровой версии. Например, роботизированные руки имеют ограниченные ориентации и положения, и в зависимости от того, где вы поместите заплатку, вам нужно изменить путь — и тогда мы не можем просто полагаться на цифровую аппроксимацию этих ограничений. Мы отфильтровали много вещей, но затем использовали дополнительные механизмы, такие как датчик силы на самой роботизированной руке, чтобы приспособиться к любым неточностям.

Как вы применили датчик силы?

FB | Мы использовали его по-разному. В Б.И.Л.Л. у нас есть эти два робота-манипулятора, мы называем их обработчик обуви и патч-бот. Обувной манипулятор — это рука, которая поднимает адаптивную колодку с колодкой на ее концевом эффекторе и сопровождает ее на протяжении всего пути. Мы оснастили эту руку датчиком силы, который мы используем с соответствующим RSI [роботизированным сенсорным интерфейсом] для сенсорного управления движением и планирования движения в реальном времени.

У нас есть 3 пары обувных колодок, которые охватывают весь диапазон размеров обуви для взрослых — маленькую, среднюю, большую, левую и правую — и каждая из этих колодок оснащена пассивной стороной устройства смены инструмента. Первое испытание робота — зайти в устройство смены инструмента и взять его в последнюю очередь. Всем этим позициям обучают, но поскольку мы довольно легкие, модульные и работаем в розничной среде по 10 часов в день, может случиться так, что что-то в системе сместится на один или два миллиметра, и это может сбить роботизированную руку, если он отправляется в слепой полет.

Итак, здесь мы используем датчик силы для интеллектуального подхода к захвату. Это означает, что мы идем в известное положение, где должен быть вход устройства смены инструмента, а затем ищем порт взаимодействия. И если он борется и понимает, что оказывает большое давление на ось Z, чтобы войти в устройство смены инструмента, он делает постепенно увеличивающиеся круговые движения, пытаясь найти, куда войти. И как только он находит устройство смены инструмента, он запоминает последнюю позицию и автоматически использует ее в качестве места первой попытки для захвата в следующий раз. Таким образом, по сути, он сочетает в себе действие по смене инструмента с интеллектуальной калибровкой во время каждого подъема и возврата.

Мы также используем датчик силы для чистки обуви. У нас есть 3D-скан обуви [который информирует о пути очистки], но на нем могут быть дефекты, такие как небольшие артефакты, которые говорят роботу двигаться слишком близко к щетке, и именно здесь в игру вступает датчик силы. Таким образом, как только давление между щеткой и ботинком становится слишком большим, робот автоматически корректирует точку очистки, чтобы удерживать постоянное давление. Это важно для обеспечения постоянного результата очистки каждой обуви, особенно потому, что обувь не похожа на твердый блок, это скорее полумягкий предмет, который может деформироваться при приложении к нему давления.

Наконец, это также важно для того, что мы называем «роботизированным поцелуем», когда две роботизированные руки собираются вместе, чтобы наклеить пластырь на обувь. Существует своего рода оркестровка между обеими руками, где рука PatchBot летит вслепую к обуви и не знает, когда остановиться, а обработчик обуви держит ботинок и ждет давления со стороны PatchBot. Как только он ощущает это давление, датчик силы помогает убедиться, что временный клей пластыря действительно прилипает к обуви, и в этот момент система дает команду роботу-латырю, например, покачиваться в пластыре и отступать.

Мы много говорили о Shoe Handler, роботе-манипуляторе, ответственном за чистку кроссовок. Но не менее важная другая рука Б.И.Л.Л., Patch Bot, снимает ремонтные заплатки с одной из двух десятков катушек и приклеивает их к поднятому кроссовку. Не могли бы вы рассказать подробнее о механизме отслаивания и захвате, который был разработан для этой цели?

FB | Конечно! Обычно для такого рода задач с одним пластырем создается сложный механизм дозирования. Но поскольку у нас было 24 различных патча, потребовалось бы 24 двигателя, и машина в конечном итоге стала бы очень неуклюжей. Поэтому мы попытались подумать о том, как использовать гибкость и универсальность манипулятора, чтобы упростить проектирование других компонентов.

Во-первых, мы посмотрели, как люди на самом деле снимают наклейки или патчи с рулона. На роботизированной руке очень сложно снять ее сразу и не порвать ленту, особенно если вы думаете о роботизированных механизмах, таких как вакуумный захват. Таким образом, мы попытались имитировать движение руки человека, постоянно нажимая на ленту, используя один и тот же захват иглы для прямоугольных и круглых участков. Для прямоугольных заплат мы также оборудовали захват гибкой рампой, интегрированной с всасывающим захватом.

Но тогда возник вопрос, что происходит после пилинга? У нас есть пустое место на катушке с патчами, и, чтобы избежать ручной перезагрузки, мы решили снова использовать роботизированную руку и интегрировали в захват еще одну функцию, которая представляет собой небольшой зажим с датчиком контраста. В основном он ориентируется в соответствии с маркерами на боку каждой катушки и использует их, чтобы знать, когда и где захватывать ленту и насколько сильно ее тянуть, чтобы следующий патч был на месте.

Помимо этой функции обслуживания исправлений, этот захват Patch Bot также важен для сканирования, о котором мы говорили (см. Часть I). Когда обработчик обуви представляет обувь камере, фон должен быть однородным, чтобы исключить случайный выбор цветов или объектов на фоне, которые могут исказить модель. Таким образом, Patch Bot также использует зажим для вставки в механизм, открывающий экран с белым фоном для сканирования. Так что в духе автоматизации он очень многоцелевой.

«Это интересный баланс, заключающийся в том, что не нужно все продумывать по максимуму, но также и в том, чтобы заставить что-то хаотичное выглядеть целостным».

Поскольку вы всегда должны были думать о форме, а не о функциональности. Это сильно усложнило задачу?

FB | Трудно сказать. С одной стороны, попытка сохранить этот причудливый или дружелюбный аспект машины на самом деле дала нам большую гибкость с точки зрения того, как мы проектировали, потому что нам не нужно было быть столь жесткими в отношении материалов, которые мы выбирали, или методов, которые мы использовали. Мы могли бы пойти на что-то более нетрадиционное. Но, с другой стороны, это привело к некоторым проблемам с поиском нужных компонентов. Например, профили ITEM, которые мы использовали для основы, давали очень прочную конструкцию, и их было бы проще всего использовать для всей сборки, но в конечном итоге это могло показаться покупателю довольно скучным и промышленным. Поэтому мы выбрали красочный стиль трубок во всех модулях. Но потом найти и соединить эти разные семейные системы тоже было непросто.

Так что я думаю, что это интересный баланс, заключающийся в том, что не нужно все продумывать по максимуму, но также и в том, чтобы заставить что-то хаотичное выглядеть целостным.

Можете ли вы рассказать мне о некоторых других ключевых проблемах?

СК | Я бы определенно сказал, что самым сложным аспектом было запечатлеть этот объект реального мира, обувь, в цифровом виде, изменить его, а затем перевести обратно в реальный мир. Это своего рода конвейер, который особенно сложен для мягких, деформируемых объектов и объектов, которые изнашиваются, потому что это означает, что мы не можем работать ни с какими стандартными моделями. Таким образом, заставить систему адаптироваться практически ко всему, что мы в нее вкладываем, и сделать перевод туда и обратно достаточно надежным, было определенно самой большой проблемой.

FB | Чтобы продолжить, одной из самых больших проблем с аппаратной точки зрения было согласование всех различных входных данных и переменных. Хотя это всегда были кроссовки, как сказал Кристиан, они были в разной степени чистоты, затем у нас был примерно 21 размер, разные размеры — высокий, средний, низкий — затем умноженные на три разные модели, для которых предназначен робот, он в конечном итоге получается более ста восьмидесяти возможных исходных данных. Не говоря уже о различных цветах и ​​стилях обуви и разнообразии материалов — от кожи до ткани или вязаной обуви. Вот почему мы разработали адаптируемые колодки, чтобы вы могли использовать, скажем, высокие кроссовки Air Jordan One и низкие кроссовки Space Hippie 01 в одной системе. То же самое относится ко всему программированию манипуляторов. Подойдет ли чистка для маленькой обуви так же, как и для самой большой? Для роботизированных манипуляторов и систем вы хотите иметь очень известные входные данные и очень известные выходные данные для программирования всех этих движений, тогда как все наши движения полностью зависели от размера, покроя, материала и состояния обуви.

Мы также должны были убедиться, что он соответствует стандартам сертификации CE и стандартам безопасности розничной торговли, и в то же время является привлекательным для покупателя.

«Для роботизированных манипуляторов и систем вы хотите иметь очень известные входные данные и очень известные выходные данные, тогда как все наши движения полностью зависели от размера, покроя, материала и состояния обуви».

Относительно небольшой размер содержит множество различных функций и компонентов. Приходилось ли вам выбирать определенные строительные механизмы или новые способы расположения вещей, чтобы столько всего вместить?

FB | Ну, поскольку мы знали, что его нужно установить в розничной среде, ограничение пространства на самом деле дало нам хорошее начальное ограничение. Мы использовали очень простую и модульную структуру, профиль ITEM, чтобы убедиться, что у нас есть прочная основа для поддержки двух манипуляторов и других модулей, и это уже определило нашу площадь. Затем мы как бы адаптировали другую очень гибкую систему от Misumi, где мы разработали рамы на основе труб, используя комбинацию стандартных и специальных соединителей. А чтобы потенциально разместить дополнительные модули и укрепить некоторые другие конструкции, такие как последняя стойка [где колодки размещаются и поднимаются роботом], мы выбрали ферменную конструкцию наверху.

По сути, мы создали простой набор инструментов из алюминиевых профилей, стальных труб и соединителей, а затем использовали этот набор инструментов для построения всех конструкций в системе.

Были ли другие последствия для безопасности, учитывая, что вы знали, что не всегда сможете контролировать, кто и как будет взаимодействовать с машиной?

FB | Да, конечно. Это оказало огромное влияние на то, как мы обеспечиваем безопасность работы машины, потому что, как и в фабричных условиях, доступ ограничен людьми, обученными работе с машинами. В сфере розничной торговли, особенно в районе с интенсивным движением, таком как Oxford Circus в центре Лондона, мы знали, что у нас будут не только взрослые, но и любопытные дети, которые будут играть и толкать вещи.

Итак, мы выбрали многоуровневую систему безопасности, которая включала в себя покрытие машины с трех сторон очень большими прозрачными поликарбонатными листами, чтобы обеспечить идеальный беспрепятственный обзор машины.

У нас была одна сторона, которая должна быть открыта, чтобы операторы могли получить доступ к машине для загрузки и выгрузки обуви, и для этого отверстия мы встроили световую завесу, которая, если ее пересечь, запускает общую систему безопасности и ПЛК безопасности. Это, в свою очередь, отключает всю машину, поэтому роботы и все другие механизмы перестают работать, чтобы убедиться, что вход в машину безопасен.

Но у вас также может быть ситуация, когда кто-то уже находится внутри машины, но по той или иной причине световая завеса в этот момент не пересекается или не срабатывает. Поэтому мы добавили эти два лазерных сканера, которые снимают двухмерную плоскость через всю систему и сравнивают ее с изображением того, как машина должна выглядеть. Если внутри машины что-то изменилось — например, в системе остался ящик с инструментами или ребенок пробрался внутрь после срабатывания световой завесы — оператор не может случайно отключить систему безопасности и продолжить путешествие.

Наконец, мы также запрограммировали останов системы уникальным способом. Когда вы останавливаете машину в середине производственного процесса, может потребоваться пожертвовать компонентом, а всю машину необходимо сбросить в исходное состояние. То, как мы запрограммировали нашу систему безопасности, позволило нам совершить «безопасную остановку». Так, например, вы можете остановить систему в процессе намыливания обуви, но затем возобновить работу именно с этого момента, как только проблема безопасности будет решена.

СК | Когда мы здесь говорили о безопасности машины, один из наших коллег всегда говорил, например: «Вы должны быть готовы к тому, что кто-то атакует машину, работая». Как будто нужно вовремя остановиться. И это казалось крайним случаем, но когда мы реально работали на машине в Никитауне, у нас было двое детей и собака, которые пытались столкнуться с машиной в разное время. Так что, в конце концов, в качестве меры безопасности это было на самом деле очень реалистично.

Б.И.Л.Л. был задуман как робот, призванный приблизить циркулярность к потребителям или сообществам. Как вы пытались отразить это?

FB | Создание ремонтной машины, с которой клиенты могут и хотят взаимодействовать, было одним из аспектов, но затем нужно было внедрить всю эту идею ремонта, возможно, нетрадиционным способом. Например, мы не пытались воссоздать туфли, которые вы купили два года назад, чтобы они были как новые. Речь шла о возвышающемся ремонте или праздновании чего-то поношенного. Например, заделка царапин и дыр на верхней части с помощью цветных заплаток уже была своего рода другим подходом, и многие люди действительно интересовались этой концепцией, например, использования акта ремонта в качестве индивидуальной настройки. Это также дало нам, как операторам магазинов, хорошую возможность поговорить с покупателями о ремонте.

«Мы не пытались воссоздать обувь, которую вы купили два года назад, чтобы она была как новая. Речь шла о возвышении ремонта или праздновании чего-то поношенного».

Было ли это соображением и при проектировании системы?

FB | Я имею в виду, что мы старались всегда осознавать потери, создаваемые системой. Например, если вы посмотрите на станцию ​​очистки, вся система водоснабжения представляет собой замкнутую систему. Это означает, что мы фильтруем и повторно используем одну и ту же воду до 8 раз для очистки кроссовок.

Другим аспектом, который особенно понравился детям из-за того, насколько он яркий и веселый, была небольшая станция для вытирания, сделанная из шнурков. Мы хотели найти способы повторного использования излишков материалов, и нам удалось создать что-то вроде вращающейся щетки для мойки автомобилей, пропустив эти яркие шнурки через катушку, которая затем вращается, удаляя излишки пены с обуви после каждого цикла чистки.

Это одна из моих любимых частей, особенно для концептуального подкрепления, чтобы вы понимали цель цикличности прямо на компьютере.

FB | Точно.

Учитывая потенциал такой системы, как бы вы сделали ее более доступной?

FB | Я думаю, чтобы предоставить клиентам более широкий доступ к услугам по ремонту, во многом нужно масштабировать услуги. Я бы продолжил этот модульный подход и изолировал станции или функции внутри B.I.L.L. система. В рамках этого проекта мы выяснили, какие движения необходимы для чистки и исправления кроссовок, и затем их можно извлечь и воспроизвести без необходимости быть частью всего розничного опыта, который B.I.L.L. должен был быть.

Например, были клиенты, которых интересовала только чистка кроссовок. И вы можете не думать о чистке как о ремонте, но у людей была такая грязная обувь, что они чувствовали, что больше не могут ее носить.

Потом у нас были клиенты, которые хотели только залатать свои кроссовки. У нас было много людей, которые говорили нам, что выбрасывают свои белые Air Force 1, как только они помнутся. Таким образом, если мы сможем добавить что-то уникальное в эти практически новые кроссовки, что заставит кого-то носить их дольше, то мы также значительно продлим срок службы кроссовок.

Спасибо, Флориан и Кристиан, за то, что рассказали нам о деталях этого замечательного проекта. Большое спасибо также команде разработчиков Nike за творческий импульс, который воплотил эту концепцию в жизнь. Мы с нетерпением ждем продолжения этого сотрудничества и создания более интересных произведений вместе в будущем.

Хотите изучить новые способы применения технологий для кругового опыта и производства? На связи!

Интервью провели и отредактировали Gabriella Seemann и Dev Mishra.
PCH Innovations — это берлинская креативная инженерная студия, занимающаяся исследовательскими технологиями.