Континуумный робот
Континуальный робот — это тип робота , который характеризуется бесконечными степенями свободы и количеством соединений. [ нужна ссылка ] Эти характеристики позволяют манипуляторам сплошной среды корректировать и изменять свою форму в любой точке по длине, предоставляя им возможность работать в ограниченном пространстве и сложных средах, где стандартные роботы с жесткими звеньями не могут работать. [1] В частности, мы можем определить непрерывный робот как приводимую в действие структуру, составной материал которой образует кривые с непрерывными касательными векторами. [2] Это фундаментальное определение, которое позволяет различать непрерывные роботы и роботы-змеиные руки или сверхизбыточные манипуляторы : наличие жестких связей и соединений позволяет им лишь приблизительно выполнять кривые с непрерывными касательными векторами.
Конструкция континуальных роботов основана на биоинспирации, поскольку их цель состоит в том, чтобы напоминать биологические хоботы, змеи и щупальца. Несколько концепций роботов непрерывного действия были коммерциализированы и могут быть найдены во многих различных областях применения, от медицины до подводных исследований. [ нужна ссылка ]
Классификация [ править ]
Роботов непрерывного действия можно разделить на две категории по двум основным критериям: структура и действие . [2]
Структура [ править ]
Основной характеристикой конструкции непрерывных роботов является наличие непрерывно изогнутой основной структуры, называемой магистралью , формой которой можно управлять. Магистральная сеть также должна быть податливой , то есть она должна плавно поддаваться внешним нагрузкам. [3]
В соответствии с принципами проектирования, выбранными для манипулятора сплошной среды, мы можем различать:
- одноосный: эти манипуляторы непрерывного действия имеют одну центральную эластичную опору, через которую могут работать элементы привода/передачи.
- многоосновная конструкция: конструкция этих непрерывных роботов состоит из двух или более упругих элементов (стержней или трубок), параллельных друг другу и каким-то образом связанных друг с другом. [4]
- концентрическая трубка: основа состоит из концентрических трубок, которые могут свободно вращаться и перемещаться между собой в зависимости от воздействия, происходящего в основании робота. [3]
Активация [ править ]
Стратегию срабатывания манипуляторов континуума можно разделить на внешнюю или внутреннюю активацию, в зависимости от того, где происходит активация:
- внешнее срабатывание: срабатывание происходит вне основной конструкции робота, а силы передаются через механическую передачу; Среди этих методов есть приводы с тросовым/сухожильным приводом и многомагистральные стратегии.
- внутреннее срабатывание: исполнительный механизм работает внутри конструкции робота; эти стратегии включают пневматические [5] или гидравлические камеры [6] и эффект памяти формы . [7]
Преимущества [ править ]
Особая конструкция непрерывных роботов дает несколько преимуществ по сравнению с роботами с жесткой связью. Прежде всего, как уже было сказано, роботам непрерывного действия легче работать в средах, требующих высокого уровня ловкости, адаптируемости и гибкости. Более того, простота их структуры делает роботов непрерывного действия более склонными к миниатюризации. Появление континуальных роботов также проложило путь к разработке мягких манипуляторов континуума . Эти манипуляторы континуума изготовлены из материалов с высокой податливостью, которые являются гибкими и могут адаптироваться и деформироваться в зависимости от окружающей среды. «Мягкость» их материала обеспечивает более высокую безопасность при взаимодействии человека и робота. [8]
Недостатки [ править ]
Особая конструкция роботов непрерывного действия также создает множество проблем. Для правильного и безопасного использования роботов непрерывного действия крайне важно иметь точную систему определения силы и формы. Традиционно это делается с помощью камер, которые не подходят для некоторых применений непрерывных роботов (например, минимально-инвазивной хирургии), или с помощью электромагнитных датчиков, которые, однако, нарушаются присутствием магнитных объектов в окружающей среде. Для решения этой проблемы в последние годы на основе волоконных брэгговских решеток , которые показали многообещающие результаты. в качестве возможной альтернативы были предложены датчики [9] [10] Также необходимо отметить, что, хотя механические свойства роботов с жесткой связью полностью изучены, понимание поведения и свойств непрерывных роботов все еще остается предметом изучения и дискуссий. [1] Это ставит новые задачи в разработке точных моделей и алгоритмов управления такого рода роботами.
Моделирование [ править ]
Создание точной модели, способной предсказывать форму непрерывного робота, позволяет правильно управлять формой робота. [11] Существует три основных подхода к моделированию непрерывных роботов:
- Теория стержня Коссера : этот подход является точным решением статики непрерывного робота, поскольку он не подлежит никаким предположениям. Он решает набор уравнений равновесия между положением, ориентацией, внутренней силой и крутящим моментом робота. Этот метод требует численного решения и поэтому требует больших вычислительных затрат из-за своей высокой сложности. [11] [12]
- Постоянная кривизна : этот метод предполагает, что основа состоит из ряда взаимно касающихся секций, которые можно аппроксимировать как дуги с постоянной кривизной. Этот подход также известен как кусочно-постоянная кривизна. Это предположение можно применить ко всему сегменту позвоночника или к его подсегментам. [13] Эта модель показала многообещающие результаты, однако необходимо учитывать, что сегмент/подсегменты позвоночника могут не соответствовать предположению о постоянной кривизне, и поэтому поведение модели может не полностью отражать поведение робота.
- Модель с жесткими связями: этот подход основан на предположении, что непрерывный робот можно разделить на небольшие сегменты с помощью жестких связей. Это сильное предположение, поскольку если количество сегментов слишком мало, модель вряд ли будет вести себя как непрерывный робот, а увеличение количества сегментов означает увеличение количества переменных и, следовательно, сложности. Несмотря на это ограничение, моделирование с жесткой связью позволяет использовать стандартные методы управления, хорошо известные для роботов с жесткой связью. Было доказано, что эту модель можно объединить с измерением формы и силы, чтобы уменьшить ее неточность и привести к многообещающим результатам. [14]
Чувствование [ править ]
Для разработки точных алгоритмов управления необходимо дополнить представленные методы моделирования распознаванием формы в реальном времени. На данный момент доступны следующие варианты:
- Электромагнитное (ЭМ) зондирование : форма восстанавливается благодаря взаимной индукции между генератором магнитного поля и датчиком магнитного поля. [15] Наиболее распространенной системой внешнего ЭМ слежения является коммерчески доступная NDI Aurora: на роботе можно разместить небольшие датчики, и их положение отслеживается во внешнем генерируемом магнитном поле. Валидность этого метода была тщательно оценена, [16] [17] однако его производительность сдерживается ограниченным рабочим пространством, размер которого зависит от магнитного поля. Другой альтернативой является встраивание датчиков внутри континуального робота, сочетающее магнитные датчики с датчиками Холла : [18] [19] магнитное поле измеряется на уровне датчиков Холла, чтобы оценить отклонение робота. Однако было замечено, что чем больше изгиб манипулятора, тем выше ошибка оценки из-за перекрестных помех между датчиками и магнитами.
- Оптическое зондирование: волоконные датчики с брэгговской решеткой, встроенные в оптическое волокно, могут быть встроены в основу непрерывного робота для оценки его формы; эти датчики могут отражать лишь небольшой диапазон входного спектра света в зависимости от их деформации; следовательно, измеряя нагрузку на каждый датчик, можно получить форму робота. Однако этот тип датчика дорог и более склонен к поломке в случае чрезмерной нагрузки, и это может произойти с роботами, которые могут выполнять большие отклонения.
Стратегии контроля [ править ]
Стратегии управления можно разделить на статические и динамические; первый основан на предположении об установившемся состоянии, а второй также учитывает динамическое поведение непрерывного робота. Мы также можем различать контроллеры на основе модели, которые зависят от модели робота, и контроллеры без модели, которые изучают поведение робота на основе данных. [20]
- Статические контроллеры на основе моделей: они полагаются на один из подходов моделирования, представленных выше; После определения модели кинематика должна быть инвертирована для получения желаемого привода или переменных пространства конфигурации. Есть несколько способов сделать это, например, дифференциальная инверсная кинематика , прямая инверсия или оптимизация .
- Статические контроллеры без моделей: эти подходы обучаются напрямую, с помощью методов машинного обучения (например, методов регрессии и нейронных сетей ), обратного кинематического или прямого кинематического представления непрерывного робота на основе собранных данных, и они также известны как методы, управляемые данными. . Несмотря на то, что эти контроллеры имеют преимущество, заключающееся в том, что им не нужно создавать точную модель непрерывного робота, они работают хуже, чем их аналоги, основанные на моделях.
- Динамические контроллеры на основе моделей: им требуется формулировка кинематической модели и связанной с ней динамической формулировки. По состоянию на 2021 год [update]Они находятся на ранней стадии, поскольку требуют высокой вычислительной мощности и многомерной сенсорной обратной связи. Благодаря улучшению вычислительной мощности и сенсорных возможностей они могут сыграть решающую роль в промышленном применении роботов непрерывного действия, где время и стоимость также важны наряду с точностью .
- Безмодельные динамические контроллеры: они все еще являются относительно неисследованным подходом. Были представлены некоторые работы, в которых предлагаются методы машинного обучения для изучения динамического поведения непрерывных роботов, но их производительность ограничена большим временем обучения и нестабильностью модели машинного обучения.
Гибридные подходы, сочетающие в себе контроллеры, не связанные с моделями, и контроллеры на основе моделей, также могут представлять собой действительную альтернативу.
Приложения [ править ]
Роботы непрерывного действия нашли применение во многих различных областях.
Медицинский [ править ]
Роботы континуума широко применяются в медицинской сфере, в частности, в малоинвазивной хирургии. [1] Например, Ion by Intuitive — это роботизированная внутрипросветная платформа для минимально инвазивной периферической биопсии легких, которая позволяет достичь узлов, расположенных в периферических областях легких, до которых невозможно добраться стандартными инструментами; это позволяет проводить диагностику рака на ранних стадиях.
Опасные места [ править ]
Роботы Continuum предлагают возможность выполнения задач в опасных и агрессивных средах. Например, был разработан четвероногий робот с континуальными конечностями: он может ходить, ползать, рысью и передвигаться, хватаясь всей рукой, чтобы преодолевать сложные препятствия. [21]
Космос [ править ]
НАСА разработало манипулятор континуума под названием Tendril, который может проникать в трещины и под тепловые одеяла, чтобы получить доступ к областям, которые иначе были бы недоступны обычными средствами. [22]
Подводный [ править ]
В рамках проекта AMADEUS был разработан ловкий подводный робот для захвата и манипулирования, а в рамках проекта FLAPS созданы двигательные системы, имитирующие механизмы плавания рыб. [23]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с да Вейга, Томас; Чендлер, Джеймс Х; Ллойд, Питер; Питтильо, Джованни; Уилкинсон, Натан Дж; Хошиар, Али К; Харрис, Рассел А; Валдастри, Пьетро (03 августа 2020 г.). «Проблемы роботов непрерывного действия в клиническом контексте: обзор» . Прогресс биомедицинской инженерии . 2 (3): 032003. doi : 10.1088/2516-1091/ab9f41 . ISSN 2516-1091 . S2CID 225400772 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Бургнер-Карс, Джессика ; Ракер, Д. Калеб; Чосет, Хоуи (декабрь 2015 г.). «Роботы непрерывного действия для медицинского применения: обзор» . Транзакции IEEE в робототехнике . 31 (6): 1261–1280. дои : 10.1109/TRO.2015.2489500 . ISSN 1552-3098 . S2CID 9660483 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Уокер, Ян Д. (16 июля 2013 г.). «Непрерывная магистраль роботов-манипуляторов «Континуум» . ISRN Робототехника . 2013 : 1–19. дои : 10.5402/2013/726506 .
- ^ Баджо, Андреа; Симаан, Набиль (апрель 2016 г.). «Гибридное управление движением/силой многомагистральных непрерывных роботов» . Международный журнал исследований робототехники . 35 (4): 422–434. дои : 10.1177/0278364915584806 . ISSN 0278-3649 . S2CID 206500774 .
- ^ Чен, Банда; Фам, Минь Ту; Редарсе, Таннегай (2008), Ли, Сухан; Су, Иль Хонг; Ким, Мун Санг (ред.), «Стратегия управления полуавтономной колоноскопией с использованием робота непрерывного действия», « Последние достижения в робототехнике: жизнеспособная роботизированная служба человеку: издание избранных статей с 13-й Международной конференции по передовой робототехнике» , Конспекты лекций по управлению и информатике, вып. 370, Берлин, Гейдельберг: Springer, стр. 63–78, doi : 10.1007/978-3-540-76729-9_6 , ISBN. 978-3-540-76729-9
- ^ Икута, К.; Итикава, Х.; Сузуки, К.; Ядзима, Д. (2006). «Безопасный активный катетер с несколькими степенями свободы, управляемый гидравлическим давлением» . Материалы Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации, 2006 г., 2006 г. ICRA 2006 . Орландо, Флорида, США: IEEE. стр. 4161–4166. дои : 10.1109/РОБОТ.2006.1642342 . ISBN 978-0-7803-9505-3 . S2CID 1646994 .
- ^ Джейендер, Дж.; Патель, Р.В.; Никумб, С. (1 сентября 2009 г.). «Введение активного катетера с помощью робота: алгоритмы и эксперименты» . Международный журнал исследований робототехники . 28 (9): 1101–1117. дои : 10.1177/0278364909103785 . ISSN 0278-3649 . S2CID 206500027 .
- ^ Рус, Даниэла; Толли, Майкл Т. (май 2015 г.). «Проектирование, изготовление и управление мягкими роботами» . Природа . 521 (7553): 467–475. Бибкод : 2015Natur.521..467R . дои : 10.1038/nature14543 . hdl : 1721.1/100772 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 26017446 . S2CID 217952627 .
- ^ Ростуис, Рой Дж.; Янссен, Сандер; Мисра, Сартак (ноябрь 2013 г.). «Об использовании массива волоконных датчиков с брэгговской решеткой для замкнутого управления гибкими малоинвазивными хирургическими инструментами» . Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам, 2013 г. (PDF) . Токио: IEEE. стр. 2545–2551. дои : 10.1109/IROS.2013.6696715 . ISBN 978-1-4673-6358-7 . S2CID 13551100 .
- ^ Рю, Сок Чанг; Дюпон, Пьер Э. (май 2014 г.). «Трубки для измерения формы на основе ВБР для непрерывных роботов» . 2014 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) . Гонконг, Китай: IEEE. стр. 3531–3537. дои : 10.1109/ICRA.2014.6907368 . ISBN 978-1-4799-3685-4 . S2CID 15064329 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Джонс, Брайан А.; Грей, Рики Л.; Турлапати, Кришна (октябрь 2009 г.). «Трехмерная статика для непрерывной робототехники» . 2009 Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам . Сент-Луис, Миссури, США: IEEE. стр. 2659–2664. дои : 10.1109/IROS.2009.5354199 . ISBN 978-1-4244-3803-7 . S2CID 17031584 .
- ^ Гафури, Мортеза; Кеймаси Халаджи, Али (01 декабря 2020 г.). «Моделирование и экспериментальный анализ многостержневого параллельного робота сплошной среды с использованием теории Коссера» . Робототехника и автономные системы . 134 : 103650. doi : 10.1016/j.robot.2020.103650 . ISSN 0921-8890 . S2CID 225025768 .
- ^ Рао, Приянка; Пейрон, Квентин; Лилге, Свен; Бургнер-Карс, Джессика (2021). «Как моделировать роботов непрерывной среды с сухожильным приводом и оценивать производительность моделирования» . Границы робототехники и искусственного интеллекта . 7 : 630245. дои : 10.3389/frobt.2020.630245 . ISSN 2296-9144 . ПМЦ 7885639 . ПМИД 33604355 .
- ^ Ростуис, Рой Дж.; Мисра, Сартак (апрель 2016 г.). «Управление многосегментными манипуляторами континуума с использованием моделирования жесткой связи и определения формы на основе ВБР» . Транзакции IEEE в робототехнике . 32 (2): 372–382. дои : 10.1109/TRO.2016.2527047 . ISSN 1552-3098 . S2CID 17902850 .
- ^ Ши, Чаоян; Ло, Сюнбяо; Ци, Пэн; Ли, Тяньлян; Сун, Шуан; Найдовски, Зоран; Фукуда, Тосио; Жэнь, Хунлян (август 2017 г.). «Методы определения формы для роботов непрерывного действия в минимально инвазивной хирургии: обзор» . Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 64 (8): 1665–1678. дои : 10.1109/TBME.2016.2622361 . ISSN 0018-9294 . ПМИД 27810796 . S2CID 26514168 .
- ^ Доре, Алессио; Смолькич, Габриэль; Пуртен, Эммануэль Вандер; Сетте, Мауро; Слотен, Йос Вандер; Ян, Гуан-Чжун (октябрь 2012 г.). «Катетерная навигация, основанная на вероятностном сочетании электромагнитного отслеживания и физического моделирования» . Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам , 2012 г. Виламоура-Алгарве, Португалия: IEEE. стр. 3806–3811. дои : 10.1109/IROS.2012.6386139 . ISBN 978-1-4673-1736-8 . S2CID 17183408 .
- ^ Сюй, Ран; Асадян, Али; Найду, Аниш С.; Патель, Раджни В. (май 2013 г.). «Управление положением роботов непрерывного действия с концентрическими трубками с использованием модифицированного подхода, основанного на якобиане» . Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации , 2013 г. Карлсруэ, Германия: IEEE. стр. 5813–5818. дои : 10.1109/ICRA.2013.6631413 . ISBN 978-1-4673-5643-5 . S2CID 580594 .
- ^ Го, Хао; Цзюй, Фэн; Цао, Яньфэй; Ци, Фэй; Бай, Дунмин; Ван, Яояо; Чен, Бай (01 января 2019 г.). «Оценка формы непрерывного робота с использованием постоянных магнитов и магнитных датчиков» . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 285 : 519–530. дои : 10.1016/j.sna.2018.11.030 . ISSN 0924-4247 . S2CID 117531270 .
- ^ Озель, Селим; Скорина, Эрик Х.; Ло, Мин; Тао, Вейцзя; Чен, Фучэнь; Исяо Пан; Онал, Кагдас Д. (май 2016 г.). «Композитный модуль плавного изгиба со встроенным датчиком кривизны» . Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) , 2016 г. Стокгольм, Швеция: IEEE. стр. 4963–4968. дои : 10.1109/ICRA.2016.7487703 . ISBN 978-1-4673-8026-3 . S2CID 6366153 .
- ^ Джордж Турутель, Томас; Ансари, Ясмин; Фалотико, Эджидио; Ласки, Сесилия (апрель 2018 г.). «Стратегии управления мягкими роботизированными манипуляторами: обзор» . Мягкая робототехника . 5 (2): 149–163. дои : 10.1089/соро.2017.0007 . hdl : 11382/521074 . ISSN 2169-5172 . ПМИД 29297756 .
- ^ Годадж, Учитель С.; Нанаяккара, Тришантха; Колдуэлл, Дарвин Г. (октябрь 2012 г.). «Локомоция континуальными конечностями» . Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам , 2012 г. Виламоура-Алгарве, Португалия: IEEE. стр. 100-1 293–298. дои : 10.1109/IROS.2012.6385810 . ISBN 978-1-4673-1736-8 . S2CID 11689025 .
- ^ Бэкингем, Роб; Грэм, Эндрю (8 сентября 2003 г.). «Роботы-змеиные руки – новый инструмент для аэрокосмической промышленности» . Серия технических документов SAE . 1 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International. дои : 10.4271/2003-01-2952 .
- ^ Дэвис, JBC; Лейн, DM; Робинсон, GC; О'Брайен, диджей; Пикетт, М.; Сфакиотакис, М.; Дьякон, Б. (1998). «Подводное применение роботов непрерывного действия» . Материалы Международного симпозиума по подводным технологиям 1998 года . Токио, Япония: IEEE. стр. 363–369. дои : 10.1109/UT.1998.670127 . ISBN 978-0-7803-4273-6 . S2CID 111200462 .