创造一个打保龄球的机器人
虽然投掷保龄球的动作看起来很简单，但要发展出高水平的控制却是非常微妙的，可能需要多年的练习。
ARM自动化公司做了很多机器人设计，并且习惯了一些特殊的应用挑战，但这个比大多数更有趣。的美国保龄球协会(USBC)想要创造一种新型机器人，能像最优秀的人类投球手一样用力和控制投球。虽然这听起来很独特，但并非没有先例。之前有一款名为“哈里”的模型已经取得了一定程度的成功，但下一代必须取得一些重大进展。
这个项目的目的是创建一种方法来测试保龄球过程的各种元素，以便将人为因素与硬件分离。USBC董事总经理尼尔•斯特雷梅尔(Neil Stremmel)表示:“我们不是在测试一件事，而是在测试保龄球的整个系统。”“这可以是球道油、球、球钉和球的运动，包括摩擦系数、旋转速率以及与球钉的相互作用。有很多事情正在发生，很难说‘这是我们需要改变的’，以使保龄球更注重技术而不是技术。”
斯特雷梅尔指出，人类的投球手只是不够稳定，总是在与想要击球的愿望作斗争。他补充说:“为了可靠地、重复地研究球的运动，你需要一些一致的、没有偏见的东西。这就是机器人的用武之地。大多数保龄球手对眼前的东西都有先入为主的概念。我们不关心滚动罢工。我们需要一致性。”
玩弄惯性
如果你曾经尝试过作为一名保龄球手发展任何技能，甚至只是偶尔滚几条线，你就知道这是棘手的。球滚动和旋转的方式表明它有自己的思想。这并不完全是你的想象。保龄球内部重量的分布方式不是完全对称的。虽然它是平衡的，但每个轴上的惯性是不一样的。如果你拿起一个哑铃，它的重量均匀地分布在中心周围，但如果你把它一端立着旋转，它的惯性特性与侧着旋转是不同的。这就是打保龄球的方式。它在一个轴上的旋转不同于另一个轴，这是一个熟练的保龄球手能够利用他或她的优势的特征。
现在，你如何描述和量化这种行为，以便将其构建成一个机器人?一个设计师如何开始整理出需要复制一个世界级的人类保龄球手的运动轴?此外，它必须能够做任何动作，从一个孩子的缓慢直滚到一个专业人士的有力投掷和积极旋转，而且几乎具有完美的重复性。概念化它已经很困难了，但你还必须构建它。ARM自动化公司接受了挑战。
ARM自动化业务开发副总裁Derek Black表示:“这是一个挑战，因为和许多客户一样，他们在自己的领域说一种语言。“每个行业都有自己的语言、坐标和术语。在许多不同的行业中，做好设计和系统集成工作的艺术之一是能够将用户规范和用户语言转换为有意义的设计需求。如果你从正确的角度出发，提出正确的问题，你就为自己的成功做好了准备，而且你经常会在没有意识到的情况下构建解决方案的架构。”
ARM的设计师能够与Stremmel和USBC团队会面，并观看哈利的视频，但没有机会与早期的机器人合作或解剖。最终，他们能够指定四个主要参数的范围:投球速度、旋转转速、倾斜轴和旋转轴。
“我们有哈利的视频，”斯特雷梅尔说。“我们可以说，‘这是速度，这是旋转。这些都是比较容易的事情。就轴旋转而言，这实际上只是轴点，无论它是指向投球手，还是指向90°，或介于两者之间。但是这个倾斜，就是把这个轴向天花板倾斜，这就是球最初围绕的旋转。这是初始轴点。这需要一些描述和解释，但并没有花那么长时间。”
从零开始
ARM必须从分析必要的运动轴开始，将其转化为可构建的配置。ARM的工程项目经理格雷格·威斯(Greg Wiese)帮助解决了这个问题:“有一个线性轴，用来在车道的宽度上放置机器人的肩膀，一个五轴机器人挂在这个线性轴上，再加上一个轴，用来在夹持器或末端执行器上旋转球。这是7，然后是一个释放球的装置。我们最初尝试使用现成的机器人来节省一些成本和开发时间，但由于投掷球所需的尖端速度为24英里/小时，我们找不到一个有足够强壮的肩膀来产生如此强烈的投掷动作的机器人。这促使我们自己设计机器人。”
随着时间的推移，ARM能够创造出决定机器人尺寸的运动几何形状。正如布莱克所描述的那样，“大多数机器人都是平面机构。一旦你在投掷机构中定位肩关节，你就会看到前两个关节作为x平移到另一边和基础旋转。它定义了投掷平面。所以一旦你确定了投掷平面，手臂本质上就是三个串联的关节:一个肩关节，一个肘关节和一个双轴手腕。通过定义第一个关节，平移关节，和第二个旋转关节，你已经设置了肩部的x位置和绕垂直方向的旋转。一旦你完成了这些，你就有了你的投掷平面，你必须计算你的手腕在释放点的方向。我们最终做的是制造一个几何上可重构的摆，能够清晰地表达夹持器。”
虽然这一切都是真的，但由于前面提到的球的重量和惯性特性，这一切都变得更加复杂。夹持器不能随意抓取球，但必须保持它在正确的轴上旋转，然后在正确的位置释放它。布莱克解释说:“我们所做的就是建立一个标准的基础框架，这样球就能以一致的位置和方向放在支架上。”“手指孔是参考点，一旦你定义好了，机器人就会按照投掷者选择的特定方向捡起球。一旦它捡起了球，从设计的角度来看，你就不再考虑球框在夹持器中的位置了。现在你关注的是释放点，因为这是整个系统最关键的特征之一。在释放点，旋转轴在那个时间和空间点有一个特定的方向。你在定义空间中球的瞬时轨迹相对于x y z的位置;它的速度;以及自转轴相对于车道框架的方向。”
放手
虽然机器人拿球的方式很关键，但释放球也同样重要。机械装置夹在两个夹持器之间的球上，就像车床的头座和尾座。头套一侧有旋转球的马达。双方来一起使用剪刀杠杆行动驱动的双作用气缸。考虑到保龄球的直径并不都是一样的，夹持器必须自我调整来补偿。一旦气缸挤压球上的夹持器，机械锁就会锁定在那个位置。一旦锁定，气缸压力就会反转。当手臂到达释放点时，螺线管启动锁存器，气缸打开夹持器，Wiese将这一动作描述为“爆炸”。这种方法的延迟大约为30毫秒，但被证明是最可重复的。双方都从球中撤出，以便尽可能干净地释放。 Wiese added, “When the ball is moving 20 mph or faster, a dither of even a millisecond turns into half-an-inch of travel. We’re looking at control speeds on the order of microseconds so we don’t throw the ball into the rafters.”
由于这个项目需要一个定制的机器人，其余的大部分工作也必须是定制的，但威斯说，大多数主要的电机和驱动部件都来自安川。“因为我们必须设计自己的机器人，所以我们必须设计自己的机器人控制器。最终，这是一项相当大的工程努力，以实现这一切。安川提供了他们驱动器上的数字输出，告诉我们机器人什么时候会就位。它们的响应时间在100到125µs之间，这是实现可重复性的因素之一。”
操作员通过触摸屏HMI控制所有参数，通过菜单设置所有角度和速度。位置测量系统跟踪球在球道中的速度和轨迹，因此任何调整的效果都可以被记录、量化和分析。
这有用吗?
这款新一代机器人被称为“厄尔”(enhanced automated robotic launcher)，去年年底在德克萨斯州阿灵顿的USBC测试基地首次亮相。要证明它的能力，最明显的方法就是让它与USBC发言人、职业保龄球协会明星克里斯·巴恩斯(Chris Barnes)对决。人类在这场比赛中获胜，巴恩斯以259比209击败了厄尔。斯特雷梅尔将厄尔的失利归咎于他自己极端的一致性导致他在车道上走投无路。“机器人每次都在跑道上的同一个地方。厄尔在球道15英尺处的三分之一板上保持稳定，所以他已经打过保龄球了。”
Earl在ARM的设计师们对这个结果很满意，并将其列为又一个成功的项目。Black总结了经验:“我们做了很多定制自动化工程，其他人不一定会去做，而且没有标准的解决方案。我们做了很多与工业自动化相关的开发和设计密集型工程。我们可以研究没有很多先例的应用，或者没有很多过程理解或定义的应用。我们可以帮助客户明确他们想要什么。”
彼得·韦兰德是控制工程。
另外，在USBC的视频中可以看到厄尔的行动:https://bit.ly/9fjLKm
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