Межі в галузі біоінженерії
та біотехнології

Біоніка та біоміметика

robotics

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex

ПОДІЛИТИСЯ НА

СТАТТЯ

  • Інститут біороботики, Scuola Superiore Sant’Anna, Піза, Італія

Чудові досягнення робототехніки за останні 50 років, які представляють неймовірне багатство знань, базуються на фундаментальному припущенні, що роботи - це ланцюги жорстких ланок. Використання м'яких матеріалів у робототехніці, зумовлене не тільки новими науковими парадигмами (біоміметика, морфологічні обчислення та інші), але і багатьма додатками (біомедичні, службові, рятувальні роботи та багато іншого), має намір подолати ці основні припущення і робить відомі теорії та техніки малозастосовними, відкриваючи нові перспективи для проектування та управління роботами. Сучасні приклади м'яких роботів представляють різноманітні рішення для спрацьовування та управління. Хоча це перші кроки, вони мають потенціал для радикальних технологічних змін. М'яка робототехніка - це не просто новий напрямок технологічного розвитку, а новий підхід до робототехніки, який поєднує в собі її основи та потенціал для створення нового покоління роботів на підтримку людей у ​​нашому природному середовищі.

Виклик м’якої робототехніки

Робототехніка зросла в геометричній прогресії за останні 50 років, і сьогодні технології робототехніки є дуже надійними та надійними, забезпечуючи точний, швидкий та надійний контроль руху робота. Майже всі теорії та методи управління, виготовлення та зондування роботів, які представляють неймовірне багатство знань, базуються на фундаментальному припущенні та загальноприйнятому визначенні роботів: кінематичний ланцюг жорстких ланок.

Нещодавні досягнення м’яких та розумних матеріалів, сумісних механізмів та нелінійного моделювання, з іншого боку, призвели до все більш популярного використання м’яких матеріалів у робототехніці у всьому світі. Це зумовлене не тільки новими науковими парадигмами (біоміметика, морфологічні обчислення та інші), але й багатьма вимогами до застосування (у галузі біомедицини, обслуговування, рятувальних роботів та багатьох інших), завдяки очікуваній здатності м’яких роботів легше та ефективніше взаємодіяти з реальним середовищем (Mazzolai et al., 2012; Pfeifer et al., 2012).

У біоміметиці використання м’яких матеріалів пропонують незліченні приклади тваринних і рослинних систем. Жорсткі структури, як скелети або екзоскелети, завжди супроводжуються м’якими тканинами. Сюди входять механізми для зміни характеристик матеріалу, таких як жорсткість, еластичність, властивості поверхні тощо (Kim et al., 2013) для генерації руху через м’язи та полегшення зондування в шкірі за допомогою вбудованих механорецепторів.

Відповідність, або м’якість, також необхідна для реалізації принципів втіленого інтелекту, або морфологічного обчислення, сучасного погляду на інтелект, приписуючи сильнішу роль фізичному тілу та його взаємодії з навколишнім середовищем. Сучасне мислення в робототехніці полягає в тому, що швидкої, ефективної та стійкої поведінки можна досягти шляхом адекватного використання властивостей матеріалу та, зокрема, м’якості (Pfeifer et al., 2012), і що м’які матеріали можуть дозволити нам автоматизувати завдання, які виходять за рамки можливостей сучасні технології робототехніки. Важливість м’яких частин тіла здається очевидною для природних організмів для підвищення пристосованості та стійкості. Наприклад, шкіра м'яка і деформується, в той же час вона міцна і водонепроникна, і очевидно, що вона відіграє значну роль у схопленні та маніпуляціях.

Дійсно, використання технологій м’якої деформованої та змінної жорсткості в робототехніці представляє новий підхід до побудови нових класів робототехнічних систем, які, як очікується, будуть безпечніше взаємодіяти з природним, неструктурованим середовищем та з людьми, а також краще вирішуватимуть невизначені та динамічні завдання [тобто захоплення та маніпуляції невідомими предметами (Brown et al., 2010), пересування по пересіченій місцевості (Lin et al., 2011), фізичні контакти з людськими тілами тощо].

Галузь м’якої робототехніки зростає у всьому світі, але варто зазначити, що, говорячи про „м’яку робототехніку”, слід виділити два основних підходи щодо забезпечення м’якої взаємодії: (1) контроль жорсткості виконавчого механізму робота з жорсткими ланками ( Schäffer et al., 2008) та (2) м’якість, невід’ємно обумовлена ​​пасивними характеристиками робочого посуду робота (Trivedi et al., 2008).

У першому підході роботи будуються з традиційними жорсткими зв'язками, але система управління змінює опір, який робот повинен виявляти при взаємодії з навколишнім середовищем (об'єктами або людьми), або за допомогою схем контролю відповідності або імпедансу (Сициліано та Вільяні, 1999). У реабілітації роботи, що використовуються для фізичної терапії, контролюються за допомогою схем контролю взаємодії, які регулюють їх жорсткість відповідно до сил, що застосовуються пацієнтами (Krebs et al., 2000). Досі дотримуючись першого підходу, виконавчі механізми сконструйовані для того, щоб мати змінний опір. Так звані виконавчі пристрої зі змінним імпедансом (VIA) можуть демонструвати поведінку, при якій вихідна жорсткість може змінюватися незалежно від вихідної позиції (Vanderborght et al., 2009; Visser et al., 2011).

При другому підході роботи виготовлені з м’яких матеріалів і піддаються сильним деформаціям під час взаємодії. У цьому іншому методі використовуються м’які виконавчі механізми та матеріали, які можуть змінювати свою жорсткість, і їх контроль частково вбудований у морфологію тіла. Цей підхід використовує матеріальні властивості робота та його здатність взаємодіяти з навколишнім середовищем (Brooks, 1991; Pfeifer and Bongard, 2007). Роботи з м'яким корпусом здатні виконувати відносно великі деформації за типових умов навантаження і можуть використовувати пасивні деформації тіла для пристосування до навколишнього середовища (Brown et al., 2010). Таким чином, завдання, які в класичному підході виконує система управління, можуть бути частково надлишковими завдяки механічним властивостям самого фізичного тіла (Pfeifer and Bongard, 2007). Основна перевага полягає в тому, що складна, точна архітектура управління може бути спрощена за допомогою високовідповідних матеріалів із змінною жорсткістю, де управління частково вбудоване в морфологію тіла, а взаємодія робота з предметами або навколишнім середовищем випливає з пристосованості самого агента. Це представляє основу теорії морфологічних обчислень.

У цьому другому значенні тут передбачена м’яка робототехніка, тобто використання м’яких матеріалів та реалізація механізмів для зміни форми і жорсткості тіла. Це кардинально трансформаційний підхід, оскільки він відмовляється від основних припущень робототехніки. Подолання цих припущень означає, що відомі теорії та техніки робототехніки є погано застосовними і що потрібні нові рішення.

Ми визначаємо декілька проблем у проектуванні та керуванні м’якими роботами, деякі відповідні технологічні рішення та можливі підходи, як описано нижче.

Розумні виконавчі механізми та технології виробництва для м’яких роботів

У рамках м’якої робототехніки легко зрозуміти, як одним з найважливіших вузьких місць у розробці ефективних роботів є відсутність надійних та надійних м’яких приводів. Тим не менше, з'являються нові та перспективні технології, що привертають увагу все більшої кількості дослідницьких груп. Нові розумні матеріали з однаковим спільним знаменником м'якості або гнучкості представляють наступний рубіж у розробці м'яких приводів.

Сплави пам'яті форми (SMA) - це металеві сплави, здатні зазнавати певної деформації і згодом відновлювати свою початкову форму при нагріванні. SMA дозволяють різко зменшити розмір, вагу та складність роботизованих систем. Насправді їх велике співвідношення сила-вага, великі життєві цикли, незначний об’єм, здатність зондування та безшумна робота дозволяють використовувати цю технологію в м’якій робототехніці (Cianchetti, 2013). З іншого боку, вони зазвичай потребують відносно великих струмів, і процес трансдукції не є високоефективним. Більше того, висока нелінійність та гістерезис, пов’язані з активацією матеріалу, ускладнюють точний контроль SMA.

Частину цих недоліків можна уникнути, використовуючи полімери з формою пам'яті (SMP), які використовують той самий принцип, що і SMA, але використовуючи різні типи стимулів (крім електрики) для активації. Найчастіше використовуються хімічні або теплові подразники, світло та магнітні поля, що демонструють більш високу ефективність трансдукції, але за рахунок збільшення часу відгуку. SMP належать до класу розумних полімерів, які викликали значний науковий інтерес в останні кілька років завдяки їх застосуванню в мікроелектромеханічних системах та приводах у біомедичних приладах. У кількох сферах застосування матеріали SMP були доведеними як замінники металевих завдяки своїй гнучкості, біосумісності та широкому спектру модифікацій. Вичерпний огляд можна знайти у роботі Ratna and Karger-Kocsis (2008).

Електроактивні полімери (ЕАП) - це новий перспективний і перспективний клас технологій, який вже продемонстрував можливість заповнити прогалину між природними та штучними м’язами. Більшість з них засновані на полімерних матрицях, активованих різними механізмами, але всі вони наділені можливістю змінювати їх розмір і форму, коли подається електричний подразник (Mirfakhrai et al., 2007). Вони мають щільність потужності, що перевищує щільність біологічних м’язів, легко масштабуються та виготовляються у вільній формі та ідеально підходять для біоміметичних та біомедичних програм м’яких роботів. З іншого боку, залежно від конкретної технології EAP, повільний відгук або запит високої напруги можуть обмежити їхню корисність. Більше того, надійність і надійність все-таки слід покращувати.

Гнучкий текучий привід - це термін, що використовується для широкого кола системних типів, але загалом вони містять розширювальну камеру, визначену внутрішньою стінкою розширюваного пояса, яка з'єднана принаймні з двома точками кріплення. Таким чином, виконавчі механізми здатні пристосуватись і перетворити силу тиску рідини на внутрішню стінку в силу тяги або згинальний рух. Пневмоприводи - це скорочувальні, а двигуни з лінійним рухом активуються тиском газу. Як правило, вони мають високу щільність потужності, але необхідні громіздкі текучі джерела, і мініатюризація обмежена. Останній огляд можна знайти у De Greef et al. (2009).

Перевага кабельного керування полягає у забезпеченні розподіленої та безперервної дії, і кабелі можуть бути встановлені на місцях у м’якому роботі, де в іншому випадку важко буде розмістити інші виконавчі механізми, оскільки потужні двигуни можуть бути вбудовані поза роботом, таким чином підтримуючи його гнучкістю. Оскільки передача кабелю безперервна і піддається незначним люфтам, контроль значно спрощується, але втрати на тертя вздовж робота через кабелі можуть зменшити керованість системи. У порівнянні з іншими методами спрацьовування, кабельне спрацьовування пропонує низьку інерцію, вагу та об'єм, гарантує швидкий час відгуку та велику передачу сили та потужності.

Окрім активних виконавчих механізмів, деякі розумні матеріали використовувались як напівактивні виконавчі механізми, тобто вони можуть розсіювати енергію лише під час механічної взаємодії. Цей спеціальний клас матеріалів пропонує можливість змінювати свої механічні властивості завдяки контрольованим фізичним подразникам. Термо-, магніто- та електрореологічні матеріали мають здатність змінювати жорсткість від значень, що нагадують рідини з низькою в'язкістю, до значень, подібних твердим матеріалам, застосовуючи теплові (Cheng et al., 2010), магнітні або електричні поля (Yalcintas і Dai, 1999) відповідно. Основні недоліки пов'язані з проблемами управління та низьким часом відгуку (для теплової активації) або високими полями, необхідними (для магнітної та електричної активації).

Застрягнення гранул - ще одне явище, яке викликає зростаючий інтерес до вражаючої поведінки, що дозволяє частинкам діяти як рідина, тверда речовина або щось середнє залежно від рівня вакууму, що застосовується (Steltz et al., 2010).

Хоча основна увага в дослідженнях м'якої робототехніки все ще зосереджена на матеріалах та виконавчих механізмах, виготовлення такого роду артефактів є ще однією дуже важливою проблемою, з якою стикаються. Були розроблені нові виробничі процеси, включаючи виробництво осадження форми (SDM) та розумні композитні мікроструктури (SCM) (Cho et al., 2009). Проте, незважаючи на зростаючий інтерес і потребу в цій галузі, в даний час існує лише кілька прикладів м’яких роботів, які відповідають прийнятому тут визначенню м’якої робототехніки, і більшість з них інтегрують лише два-три компоненти, про які щойно повідомлялося.

Архітектури управління та парадигми для м’яких роботів

Як уже згадувалося, відомі теорії та техніки управління роботами є малопридатними, коли роботи побудовані з м'яких матеріалів і, як правило, є роботами безперервної дії (Robinson and Davies, 1999). Більшість підходів, що використовуються в даний час для прямої моделі м'яких роботів з континуумом, обмежені апроксимацією кусково-постійної кривизни (Camarillo et al., 2009). Джонс та ін. (2009) представив стаціонарну модель безперервного робота, нехтуючи спрацьовуванням. У роботі Boyer et al. (2006), розраховується розподілена сила та крутний момент, що діє на робота, але дискусій щодо приводів, які можуть їх генерувати, не ведеться. Ренда та співавт. Запропонували геометрично точний підхід до роботи континуального робота, керованого сухожиллями. (2012). Він здатний правильно імітувати поведінку приводу сухожилля, пов’язаного з маніпуляторами з непостійною кривизною, оскільки враховує кручення робота. У роботі Wittmeier та співавт. (2013), шість різних підходів до управління, натхненних класичною теорією управління, машинним навчанням та нейронаукою, були оцінені при керуванні роботом, що управляється кабелем. Інверсна модель, запропонована в літературі для управління безперервним м'яким роботом, дотримується різних підходів. Модальний підхід був запропонований Chirikjian і Burdick (1994). У Джореллі та ін. (2012), пропонується успішний метод Якобія для маніпулятора, що керується сухожиллями з не постійною кривизною.

З іншого боку, концепції втіленого інтелекту та морфологічних обчислень можуть потенційно допомогти керувати м’якими роботами. Спосіб використання втіленого інтелекту можна взяти до уваги взаємодією з навколишнім середовищем. На відміну від сучасних підходів, складна взаємодія м'якого робота з навколишнім середовищем не моделюється аналітично, але кодується у внутрішніх моделях, побудованих шляхом вивчення досвіду в реальному фізичному світі, подібно до того, як внутрішні моделі будуються в мозку (Ласкі та ін., 2008). Внутрішні моделі кодують кореляцію між сенсорними та руховими даними та кодують частину контролю, яка здійснюється морфологією тіла, що взаємодіє з навколишнім середовищем, тобто частину контролю, яку дають морфологічні обчислення. Інструментами є засоби м’яких обчислень, з особливою увагою до самоорганізуючихся нейронних мереж (Asuni et al., 2006).

Нещодавно нейронні мережі використовувались у роботах-континуумах для вивчення конфігурацій маніпуляторів з входів виконавчого механізму. Цікаво, що Джореллі та ін. (2013) представив порівняння продуктивності контролера м’якої руки, розробленого за допомогою нейронного підходу та зворотного підходу Якобія, демонструючи, як система нейронного контролю може враховувати мінливість руки, не впливаючи на продуктивність.

Перші кроки м’якої робототехніки

Рисунок 1. Пневматичний щупалеподібний м’який маніпулятор (Martinez et al., 2013) (відтворено з дозволу Джона Уайлі та синів).