Kloubová měkká robotika - Articulated soft robotics

Pojem „Soft robots“ navrhuje širokou třídu robotických systémů, jejichž architektura zahrnuje měkké prvky s mnohem vyšší pružností než tradiční tuhé roboty. Kloubové měkké roboty jsou roboty s měkkými i tuhými částmi, inspirované svalovým a kosterním systémem obratlovců - od plazů přes ptáky přes savce až po člověka. Dodržování je obvykle soustředěno v akčních členech, převodovce a kloubech (odpovídá svalům, šlachám a kloubům), zatímco strukturní stabilitu zajišťují tuhé nebo polotuhé vazby (odpovídající kostem u obratlovců).

Mezi další podskupiny v široké rodině měkkých robotů patří Měkké roboty kontinua, tj. roboty, jejichž tělo je deformovatelným kontinuem, včetně jeho strukturních, ovládacích a snímacích prvků, a berou inspiraci od bezobratlých zvířat, jako jsou chobotnice nebo slimáci, nebo částí zvířat, jako je kmen slonů.

Měkcí roboti jsou často navrženi tak, aby vykazovali přirozené chování, robustnost a přizpůsobivost a někdy napodobovali mechanické vlastnosti biologických systémů.

Vlastnosti a design

Klouboví měkcí roboti jsou vyrobeni na základě inspirace z vnitřních vlastností svalově-kosterního systému obratlovců, jejichž poddajná povaha umožňuje lidem a zvířatům účinně a bezpečně provádět širokou škálu úkolů, od chůze po nerovném terénu, běhu a lezení uchopení a manipulace. Také je činí odolnými vůči vysoce dynamickým, neočekávaným událostem, jako jsou dopady na životní prostředí. Díky souhře fyzikálních vlastností obratlovců s nervovou senzoricko-motorickou regulací je pohyb velmi energeticky efektivní, bezpečný a efektivní.

Roboti, kteří jsou schopni koexistovat a spolupracovat s lidmi a dosáhnout nebo dokonce překonat jejich výkon, vyžadují technologii pohony, odpovědný za pohyb a ovládání robota, který může dosáhnout funkčního výkonu biologického svalu a jeho neuromechanického ovládání.

VSA-I, pohon s proměnnou tuhostí s agonisticko-antagonistickou architekturou, Centro di Ricerca „Enrico Piaggio“, univerzita v Pise [to ]

Nejslibnější třídou akčních členů pro měkké roboty je třída pohonů s variabilní impedancí (VIA) a podtřída pohonů s variabilní tuhostí (VSA), což jsou komplexní mechatronická zařízení vyvinutá pro stavbu pasivně kompatibilních, robustních a obratných robotů. VSA mohou měnit svoji impedanci přímo na fyzické úrovni, tedy bez nutnosti aktivního řízení schopného simulovat různé hodnoty tuhosti. Myšlenka změny mechanické impedance ovládání vychází přímo z přirozených muskuloskeletálních systémů, které často tuto vlastnost vykazují.[1][2][3]

Třída pohonů s proměnnou tuhostí dosahuje simultánního ovládání robota pomocí dvou motorů antagonisticky manipulujících s nelineární pružinou, která působí jako pružný přenos mezi každým z motorů a pohyblivou částí, aby tak řídila jak rovnovážný bod robot a jeho tuhost nebo shoda.[4][5]

Tento model řízení je ve filozofii velmi podobný Hypotéza rovnováhy bodu řízení lidského motoru. Tato podobnost činí z měkké robotiky zajímavou oblast výzkumu schopného vyměňovat si nápady a postřehy s výzkumnou komunitou v motorické neurovědě.[6]

Pohony s proměnnou impedancí zvyšují výkon systémů měkké robotiky ve srovnání s tradičními tuhými roboty ve třech klíčových aspektech: Bezpečnost, Odolnost a Energetická účinnost.

Bezpečnost ve fyzické interakci člověk-robot

Jednou z nejrevolučnějších a nejnáročnějších funkcí třídy kloubových měkkých robotů je fyzická interakce člověka s robotem. Měkké roboty určené k fyzické interakci s lidmi jsou navrženy tak, aby koexistovaly a spolupracovaly s lidmi v aplikacích, jako je asistovaná průmyslová manipulace, kolaborativní montáž, domácí práce, zábava, rehabilitace nebo lékařské aplikace. Je zřejmé, že tito roboti musí splňovat odlišné požadavky od těch, které obvykle splňují v konvenční průmyslové aplikace: i když je možné zmírnit požadavky na rychlost provádění a absolutní přesnost, obavy, jako je bezpečnost a spolehlivost, mají při interakci robotů s lidmi velký význam.[7]

Bezpečnost může být zvýšena různými způsoby. Mezi klasické metody patří řízení a senzorizace, např. kůže citlivé na blízkost nebo závislost na vnějších měkkých prvcích (měkké a vyhovující potahy nebo airbagy umístěné kolem paže pro zvýšení vlastností ochranných vrstev absorbujících energii).

Pokročilé snímání a řízení mohou pomocí softwaru realizovat „měkké“ chování.[8] Articulated Soft Robotics realizuje odlišný přístup ke zvyšování úrovně bezpečnosti robotů interagujících s lidmi zavedením mechanické shody a tlumení přímo na úrovni mechanické konstrukce.,[9][10]

"Tímto přístupem mají vědci tendenci nahradit výpočet chování na základě senzorů a jeho realizaci náchylnou k chybám pomocí aktivního ovládání aktuátoru přímým fyzickým provedením, jako v přirozeném příkladu." Poddajnost a tlumení ve struktuře robota v žádném případě nestačí k zajištění jeho bezpečnosti, protože pro potenciálně uloženou elastickou energii může být skutečně couterproduktivní: stejně jako lidské rameno bude i měkké robotické rameno potřebovat inteligentní ovládání, aby se chovalo jemně jako při mazlení s dítětem nebo silně jako při děrování “.[11]

Odolnost

Fyzická interakce robota s jeho prostředím může být také nebezpečná pro samotného robota. Ve skutečnosti je počet poškození robota v důsledku nárazů nebo přetížení síly poměrně velký.

Odolnost vůči otřesům je nejen nástrojem k dosažení životaschopných aplikací robotů v každodenním životě, ale je také velmi užitečná v průmyslovém prostředí, což podstatně rozšiřuje rozsah použitelnosti robotické technologie.

Technologie měkké robotiky mohou poskytnout řešení, která jsou účinná při tlumení otřesů a snižování zrychlení: měkké materiály lze použít jako krytiny nebo dokonce jako konstrukční prvky v končetinách robota, ale hlavní technologickou výzvou zůstávají měkké ovladače a převodovky.[12]

Výkon a energetická účinnost

Dynamické chování akčních členů s kontrolovatelnou shodou zaručuje vysoký výkon, realistický pohyb a vyšší energetickou účinnost než tuhé roboty.[13]

Přirozená dynamika robota se může přizpůsobit prostředí, a proto se fyzické fyzické chování výsledného systému blíží požadovanému pohybu. Za těchto okolností by akční členy musely pouze vstřikovat a extrahovat energii do a ze systému pro malá nápravná opatření, čímž by se snížila spotřeba energie.[14]

Myšlenka ztělesnění žádoucí dynamiky ve fyzikálních vlastnostech měkkých robotů nachází své přirozené uplatnění v humanoidní roboti, které se musí podobat lidským pohybům nebo v robotických systémech realizovaných pro protetické účely, např. antropomorfní umělé ruce. Relevantním příkladem použití je robot v chůzi / běhu:[15] Skutečnost, že přírodní systémy mění soulad svého svalového systému v závislosti na chůzi a podmínkách prostředí, a dokonce i během různých fází chůze, ukazuje na potenciální užitečnost pohonů s variabilní impedancí (VIA) pro pohyb.[16] Nastupující trend využívání technologií VIA souvisí s růstem nové kategorie průmyslových robotů Průmysl4.0, Co-roboti.

Zkoumání plného potenciálu měkkých robotů vede k stále více aplikacím, ve kterých roboti překonávají výkon konvenčních robotů, a obecně se věří, že další aplikace teprve přijdou.[17]

EGO, měkký humanoidní robot pro fyzickou interakci. Robot má měkkou kloubovou konstrukci vybavenou 12 pohony s proměnnou tuhostí (VSA-Cube) a dvěma pod aktivovanými měkkými robotickými rukama (Pisa / IIT SoftHands) - Centro di Ricerca "Enrico Piaggio", univerzita v Pise [to ]

Související evropské projekty a iniciativy

  • SOMA (Soft Manipulation)
  • SOFTPRO (Synergy-based Open-source Foundations and Technologies for Prothetics and Rehabilitation)
  • POHODY
  • Iniciativa pro přirozený přirozený pohyb strojů (NMMI)
  • SAPHARI (bezpečná a autonomní interakce robota s vědomím člověka)
  • VIACTORS (systémy s proměnnou impedancí, které ztělesňují pokročilé chování při interakci)
  • ROBLOG (kognitivní robot pro automatizaci logistických procesů)
  • THE (The Hand Embodied)
  • PHRIENDS (Fyzická interakce člověk-robot, spolehlivost a bezpečnost)

Viz také

Reference

  1. ^ A. Albu Schaeffer, A. Bicchi: „Novel Actuators for Soft Robotics“, Springer Handbook of Robotics, 2016.
  2. ^ F. Angelini, C. Della Santina`` Garabini, M., Bianchi, M., Gasparri, G. M., Grioli, G., Catalano, M. G. a Bicchi, A., “Decentralizované sledování dráhy trajektorie pro měkké roboty zasahující do prostředí ”, IEEE Transactions on Robotics (T-RO)
  3. ^ S. Wolf, G. Hirzinger: Nový design proměnné tuhosti: Odpovídající požadavkům příští generace robotů, Proc. IEEE Int. Konf. Robotics Autom. (ICRA) (2008), s. 1741–1746
  4. ^ Vlk, S, Grioli, G, Eiberger, O, Friedl, W, Grebenstein, M, Hoppner, H, Burdet, E, Caldwell, DG, Carloni, R, Catalano, MG, Lefeber, D, Stramigioli, S, Tsagarakis, NG, Damme, VM, Ham, VR, Vanderborght, B, Visser, LC, Bicchi, A, Albu-Schaeffer, "Pohony s proměnnou tuhostí: recenze designu a komponentů ", IEEE / ASME Transactions on Mechatronics, 2016).
  5. ^ Grioli, G, Wolf, S, Garabini, M, Catalano, MG, Burdet, E, Caldwell, DG, Carloni, R, Friedl, W, Grebenstein, M, Laffranchi, M, Lefeber, D, Stramigioli, S, Tsagarakis, NG, Damme, VM, Vanderborght, B, Albu-Schaeffer, A, Bicchi, A, "Pohony s proměnnou tuhostí: úhel pohledu uživatele ", Int. J. Robotics Research, 2015
  6. ^ C. Della Santina, Bianchi, M., Grioli, G., Angelini, F., Catalano, M. G., Garabini, M. a Bicchi, A., “Controlling Soft Robots: Balancing Feedback and Feedforward Elements ”, IEEE Robotics and Automation Magazine, sv. 24, č. 3, s. 75 - 83, 2017
  7. ^ Neškodte lidem: Roboti v reálném životě se řídí Asimovovými zákony https://www.sciencedaily.com/releases/2008/09/080908201841.htm
  8. ^ G. Hirzinger, A. Albu-Schäffer, M. Hähnle, I. Schaefer, N. Sporer: O nové generaci lehkých robotů řízených točivým momentem, Proc. IEEE Int. Konf. Robotics Autom. (ICRA) (2001), str. 3356–3363
  9. ^ A. Bicchi a G. Tonietti, „Rychlá a měkká paže: Řešení kompromisu mezi bezpečností a výkonem v konstrukci a řízení robotických ramen,“ IEEE Robotics and Automation Magazine, sv. 11, č. 2, červen 2004
  10. ^ S. Haddadin, S. Haddadin, A. Khoury, T. Rokahr, S. Parusel, R. Burgkart, A. Bicchi, A. Albu-Schaeffer: O tom, aby roboti porozuměli bezpečnosti: Vkládání znalostí o úrazu do kontroly, Int. J. Robotics Res. 31, 1578–1602 (2012)
  11. ^ Albu Schaeffer, A. Bicchi: „Novel Actuators for Soft Robotics“, Springer Handbook of Robotics, 2016
  12. ^ Albu Schaeffer, A. Bicchi: „Novel Actuators for Soft Robotics“, Springer Handbook of Robotics, 2016
  13. ^ S. Haddadin, M.C. Özparpucu, A.A. Schäffer: Optimální řízení pro maximalizaci potenciální energie v kloubech s proměnnou tuhostí, Proc. 51. IEEE Conf. Rozhod. Control (CDC), Maui (2012)
  14. ^ Albu Schaeffer, A. Bicchi: „Novel Actuators for Soft Robotics“, Springer Handbook of Robotics, 2016.
  15. ^ B. Vanderborght, B. Verrelst, R. Van Ham, M. Van Damme, D. Lefeber: Pneumatická dvojnožka: Experimentální výsledky chůze a experimenty s přizpůsobením, Proc. Int. Konf. Humanoidní roboti, Tsukuba (2006)
  16. ^ L.C. Visser, S. Stramigioli, R. Carloni: Robustní bipedální chůze s variabilní tuhostí nohou, Proc. 4. IEEE / RAS / EMBS Int. Konf. Biomed. Robotics Biomechatron. (BioRob) (2012), s. 1626–1631
  17. ^ C. Della Santina, Piazza, C., Gasparri, G. M., Bonilla, M., Catalano, M. G., Grioli, G., Garabini, M. a Bicchi, A., “Pátrání po přirozeném strojním pohybu: otevřená platforma pro rychlé prototypy kloubových měkkých robotů ”, IEEE Robotics and Automation Magazine, sv. 24, č. 1, s. 48 - 56, 2017