Шарнирно-мягкая робототехника
Термин «мягкие роботы» обозначает широкий класс робототехнических систем, архитектура которых включает мягкие элементы, обладающие гораздо более высокой эластичностью, чем традиционные жесткие роботы. Шарнирно-мягкие роботы — это роботы с мягкими и жесткими частями, вдохновленные скелетно-мышечной системой позвоночных животных — от рептилий до птиц, млекопитающих и людей. Податливость обычно сосредоточена в приводах, трансмиссии и суставах (соответствует мышцам, сухожилиям и суставам), тогда как структурная стабильность обеспечивается жесткими или полужесткими связями (соответствующими костям у позвоночных).
Другая подгруппа в широком семействе мягких роботов включает континуальные мягкие роботы , то есть роботы, тело которых представляет собой деформируемый континуум, включая его структурные, исполнительные и чувствительные элементы, и черпают вдохновение у беспозвоночных животных, таких как осьминоги или слизни, или частей животных. например, хобот слона.
Мягкие роботы часто проектируются так, чтобы демонстрировать естественное поведение, надежность и адаптивность, а иногда имитировать механические характеристики биологических систем.
Характеристики и дизайн
[ редактировать ]Шарнирно-мягкие роботы созданы с учетом внутренних свойств скелетно-мышечной системы позвоночных, чья податливая природа позволяет людям и животным эффективно и безопасно выполнять самые разнообразные задачи, начиная от ходьбы по неровной местности, бега и лазания до захватывать и манипулировать. Это также делает их устойчивыми к динамичным и неожиданным событиям, таким как воздействие на окружающую среду. Взаимодействие физических свойств позвоночных с нейросенсорно-моторным контролем делает движение очень энергоэффективным, безопасным и эффективным.
Роботы, способные сосуществовать и сотрудничать с людьми и достигать или даже превосходить их производительность, требуют технологии приводов , отвечающих за перемещение и управление роботом, которые могут достичь функциональных характеристик биологических мышц и их нейромеханического контроля.
Наиболее перспективным классом приводов для мягких роботов является класс приводов с переменным импедансом (VIA) и подкласс приводов с регулируемой жесткостью (VSA), сложных мехатронных устройств, которые разработаны для создания пассивно податливых, надежных и ловких роботов. [1] VSA могут изменять свой импеданс непосредственно на физическом уровне, без необходимости активного управления, способного моделировать различные значения жесткости. Идея изменения механического сопротивления срабатывания исходит непосредственно из естественных скелетно-мышечных систем, которые часто демонстрируют эту особенность. [2] [3] [4]
Класс приводов с переменной жесткостью обеспечивает одновременное управление роботом за счет использования двух двигателей, расположенных антагонистически, для управления нелинейной пружиной, которая действует как упругая передача между каждым из двигателей и движущейся частью, чтобы контролировать как точку равновесия робота, так и движущуюся часть. робот, а также его жесткость или податливость. [5] [6]
Такая модель управления по философии очень похожа на гипотезу точки равновесия о двигательном управлении человека . Это сходство делает мягкую робототехнику интересной областью исследований, способной обмениваться идеями и знаниями с исследовательским сообществом в области моторной нейробиологии. [7]
Приводы с переменным импедансом повышают производительность мягких робототехнических систем по сравнению с традиционными жесткими роботами в трех ключевых аспектах: безопасность , устойчивость и энергоэффективность .
Безопасность при физическом взаимодействии человека и робота
[ редактировать ]Одной из наиболее революционных и сложных особенностей класса шарнирных мягких роботов является физическое взаимодействие человека и робота. Мягкие роботы, предназначенные для физического взаимодействия с людьми, предназначены для сосуществования и сотрудничества с людьми в таких приложениях, как вспомогательные промышленные манипуляции, совместная сборка, работа по дому, развлечения, реабилитация или медицинские приложения. Очевидно, что такие роботы должны соответствовать требованиям, отличным от тех, которые обычно встречаются в обычных промышленных приложениях: хотя можно было бы ослабить требования к скорости выполнения и абсолютной точности, такие проблемы, как безопасность и надежность, приобретают большое значение, когда роботам приходится взаимодействовать с людьми. . [8]
Безопасность можно повысить разными способами. Классические методы включают контроль и сенсоризацию, например, чувствительную к близости кожу или добавление внешних мягких элементов (мягких и податливых покрытий или подушек безопасности, размещаемых вокруг руки для повышения энергопоглощающих свойств защитных слоев).
Расширенные датчики и контроль могут реализовать «мягкое» поведение с помощью программного обеспечения. [9] Articulated Soft Robotics реализует другой подход к повышению уровня безопасности роботов, взаимодействующих с людьми, путем введения механической податливости и демпфирования непосредственно на уровне механического проектирования. [10] [11]
«При таком подходе исследователи склонны заменять сенсорное вычисление поведения и его подверженную ошибкам реализацию с использованием активного управления исполнительными механизмами его непосредственным физическим воплощением, как в естественном примере. Наличие податливости и демпфирования в конструкции робота ни в коем случае не является достаточным для обеспечения его безопасности, поскольку на самом деле это может быть даже контрпродуктивно для потенциально запасенной упругой энергии: как и человеческая рука, мягкая рука робота будет нуждаться в интеллектуальном управлении, чтобы заставить ее вести себя так же, как и человеческая рука. мягко, как при ласке ребенка, или сильно, как при ударе» . [12]
Устойчивость
[ редактировать ]Физическое взаимодействие робота с окружающей средой также может быть опасным для самого робота. Действительно, количество случаев повреждения робота из-за ударов или перенапряжения довольно велико.
Устойчивость к ударам не только способствует эффективному использованию роботов в повседневной жизни, но также может оказаться очень полезной в промышленных условиях, существенно расширяя сферу применения робототехнических технологий.
Технологии мягкой робототехники могут предоставить решения, которые эффективно поглощают удары и уменьшают ускорения: мягкие материалы могут использоваться в качестве покрытий или даже в качестве структурных элементов в конечностях роботов, но основная технологическая проблема остается с мягкими приводами и трансмиссиями. [13]
Производительность и энергоэффективность
[ редактировать ]Динамическое поведение приводов с контролируемой податливостью гарантирует высокую производительность, реалистичное движение и более высокую энергоэффективность , чем у жестких роботов. [14]
Естественная динамика робота может адаптироваться к окружающей среде, и, таким образом, внутреннее физическое поведение полученной системы близко к желаемому движению. В этих обстоятельствах приводам придется только вводить и извлекать энергию в систему и из нее для небольших корректирующих действий, тем самым снижая потребление энергии. [15]
Идея воплощения желаемой динамики в физических свойствах мягких роботов находит свое естественное применение в гуманоидных роботах , которые должны напоминать движения человека, или в роботизированных системах, реализованных для протезирования, например, в антропоморфных искусственных руках . Соответствующим примером использования являются шагающие/бегущие роботы: [16] действительно, тот факт, что естественные системы изменяют податливость своей мышечной системы в зависимости от походки и условий окружающей среды, и даже во время различных фаз походки, по-видимому, указывает на потенциальную полезность приводов с переменным импедансом (VIA) для передвижения. [17] Новая тенденция использования технологий VIA связана с ростом новой категории промышленных роботов, подключенных к Industry4.0 , — ко-ботов .
Исследование полного потенциала мягких роботов приводит к появлению все большего числа приложений, в которых роботы превосходят по производительности обычные роботы, и широко распространено мнение, что еще больше приложений еще впереди. [18]
Сопутствующие европейские проекты и инициативы
[ редактировать ]- СОМА (Мягкая манипуляция)
- SOFTPRO (Совместные фонды и технологии с открытым исходным кодом для протезирования и реабилитации)
- МЯГКИЕ РУКИ
- Инициатива по естественному естественному движению машин (NMMI)
- SAPHARI (Безопасное и автономное физическое взаимодействие роботов с контролем человека)
- VIACTORS (системы активации с переменным импедансом, воплощающие расширенные возможности взаимодействия)
- РОБЛОГ (Когнитивный робот для автоматизации логистических процессов)
- THE (Воплощение руки)
- PHRIENDS (Физическое взаимодействие человека и робота, надежность и безопасность)
- STIFF (повышение биоморфной маневренности за счет переменной жесткости)
См. также
[ редактировать ]- Мягкая робототехника Continuum
- Совместная робототехника
- Взаимодействие человека и робота
- Гуманоидные роботы
- Автономные роботы
- Персональный робот
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Вандерборг, Б.; Альбу-Шеффер, А.; Бички, А.; Бурдет, Э.; Колдуэлл, Д.Г.; Карлони, Р.; Каталано, М.; Эйбергер, О.; Фридл, В.; Ганеш, Г.; Гарабини, М.; Гребенштайн, М.; Гриоли, Г.; Хаддадин, С.; Хоппнер, Х. (1 декабря 2013 г.). «Приводы с переменным импедансом: обзор» (PDF) . Робототехника и автономные системы . 61 (12): 1601–1614. дои : 10.1016/j.robot.2013.06.009 . ISSN 0921-8890 .
- ^ А. Альбу Шеффер, А. Бички: «Новые приводы для мягкой робототехники», Справочник Springer по робототехнике, 2016.
- ^ Ф. Анджелини, К. Делла Сантина, Гарабини, М., Бьянки, М., Гаспарри, Г.М., Гриоли, Г., Каталано, М.Г. и Бички, А., « Децентрализованное управление отслеживанием траектории для мягких роботов, взаимодействующих с Окружающая среда », Транзакции IEEE по робототехнике (T-RO)
- ^ С. Вольф, Г. Хирцингер: Новая конструкция с переменной жесткостью: соответствие требованиям следующего поколения роботов, Proc. IEEE Международный. Конф. Робототехника Автомат. (ICRA) (2008), стр. 1741–1746.
- ^ Вольф, С, Гриоли, Г, Эйбергер, О, Фридл, В, Гребенштайн, М, Хоппнер, Х, Бердет, Э, Колдуэлл, Д.Г., Карлони, Р, Каталано, М.Г., Лефебер, Д, Страмиджиоли, С, Цагаракис , Н.Г., Дамм, В.М., Хэм, В.Р., Вандерборгт, Б., Виссер, Л.К., Бички, А., Альбу-Шеффер, « Приводы с переменной жесткостью: обзор конструкции и компонентов », Транзакции IEEE/ASME по мехатронике, 2016).
- ^ Гриоли, Г, Вольф, С, Гарабини, М, Каталано, М.Г., Бурдет, Э, Колдуэлл, Д.Г., Карлони, Р., Фридл, В, Гребенштайн, М, Лафранки, М., Лефебер, Д, Страмиджиоли, С, Цагаракис , Н.Г., Дамм, В.М., Вандерборгт, Б., Альбу-Шеффер, А., Бички, А., « Приводы с регулируемой жесткостью: точка зрения пользователя », Int. Дж. Исследования робототехники, 2015 г.
- ^ К. Делла Сантина, Бьянки М., Гриоли Г., Анджелини Ф., Каталано М.Г., Гарабини М. и Бички А., « Управление мягкими роботами: балансировка элементов обратной связи и прямой связи », IEEE Robotics и журнал автоматизации, вып. 24, нет. 3, стр. 75–83, 2017 г.
- ^ Не причиняйте вреда людям: реальные роботы подчиняются законам Азимова https://www.sciencedaily.com/releases/2008/09/080908201841.htm
- ^ Г. Хирцингер, А. Альбу-Шеффер, М. Ханле, И. Шефер, Н. Спорер: О новом поколении легких роботов с регулируемым крутящим моментом, Proc. IEEE Международный. Конф. Робототехника Автомат. (ICRA) (2001), стр. 3356–3363.
- ^ А. Бички и Г. Тониетти, «Тактика быстрой и мягкой руки: поиск компромисса между безопасностью и производительностью при проектировании и управлении роботизированным оружием», Журнал IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol. 11, № 2, июнь 2004 г.
- ^ С. Хаддадин, С. Хаддадин, А. Хури, Т. Рокар, С. Парусель, Р. Бургкарт, А. Бички, А. Альбу-Шеффер: О том, как заставить роботов понять безопасность: внедрение знаний о травмах в контроль, Int. Дж. Робототехника Рез. 31, 1578–1602 (2012)
- ^ Альбу Шеффер, А. Бички: «Новые приводы для мягкой робототехники», Справочник Springer по робототехнике, 2016 г.
- ^ Альбу Шеффер, А. Бички: «Новые приводы для мягкой робототехники», Справочник Springer по робототехнике, 2016 г.
- ^ С. Хаддадин, М. К. Озпарпуку, А. А. Шеффер: Оптимальное управление для максимизации потенциальной энергии в соединениях переменной жесткости, Proc. 51-я конференция IEEE. Рецис. Контроль (CDC), Мауи (2012 г.)
- ^ Альбу Шеффер, А. Бички: «Новые приводы для мягкой робототехники», Справочник Springer по робототехнике, 2016.
- ^ Б. Вандерборгт, Б. Веррелст, Р. Ван Хэм, М. Ван Дамм, Д. Лефебер: Пневматическое двуногое: экспериментальные результаты ходьбы и эксперименты по адаптации к податливости, Proc. Межд. Конф. Гуманоидные роботы, Цукуба (2006)
- ^ LC Visser, S. Stramigioli, R. Carloni: Надежная двуногая ходьба с переменной жесткостью ног, Proc. 4-й Международный IEEE/RAS/EMBS. Конф. Биомед. Робототехника Биомехатрон. (БиоРоб) (2012), стр. 1626–1631.
- ^ К. Делла Сантина, Пьяцца, К., Гаспарри, Г.М., Бонилья, М., Каталано, М.Г., Гриоли, Г., Гарабини, М. и Бички, А., « Поиски естественного машинного движения: открытый Платформа для быстрого прототипирования шарнирно-сочлененных мягких роботов », журнал IEEE Robotics and Automation, том. 24, нет. 1, стр. 48–56, 2017 г.