Bionica și Biomimetica

robotics

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex

DISTRIBUIE PE

Perspectivă ARTICOL

  • Institutul de BioRobotică, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italia

Progresele remarcabile ale roboticii din ultimii 50 de ani, care reprezintă o bogăție incredibilă de cunoștințe, se bazează pe presupunerea fundamentală că roboții sunt lanțuri de legături rigide. Utilizarea materialelor moi în robotică, condusă nu numai de noile paradigme științifice (biomimetică, calcul morfologic și altele), ci și de multe aplicații (biomedicale, de service, roboți de salvare și multe altele), va depăși aceste ipoteze de bază și face ca teoriile și tehnicile bine cunoscute să fie puțin aplicabile, deschizând noi perspective pentru proiectarea și controlul robotilor. Exemplele actuale de roboți moi reprezintă o varietate de soluții pentru acționare și control. Deși sunt primii pași, ei au potențialul unei schimbări tehnologice radicale. Robotica moale nu este doar o nouă direcție de dezvoltare tehnologică, ci o nouă abordare a roboticii, dezvăluind fundamentele sale, cu potențialul de a produce o nouă generație de roboți, în sprijinul oamenilor din mediile noastre naturale.

Provocarea Soft Robotics

Robotica a crescut exponențial în ultimii 50 de ani și astăzi tehnologiile robotice sunt foarte solide și robuste, în controlul precis, rapid și fiabil al mișcării robotului. Aproape toate teoriile și tehnicile de control, fabricare și detectare a robotilor, care reprezintă o bogăție incredibilă de cunoștințe, se bazează pe o presupunere fundamentală și o definiție convențională a roboților: un lanț cinematic de legături rigide.

Progresele recente în materie de materiale moi și inteligente, mecanisme conforme și modelare neliniară, pe de altă parte, au condus la o utilizare tot mai populară a materialelor moi în robotică la nivel mondial. Acest lucru este condus nu numai de noile paradigme științifice (biomimetică, calcul morfologic și altele), ci și de multe cerințe de aplicare (în domeniile biomedicale, de service, roboți de salvare și multe altele), datorită capacității așteptate a roboților moi interacționează mai ușor și mai eficient cu mediile din lumea reală (Mazzolai și colab., 2012; Pfeifer și colab., 2012).

În biomimetică, utilizarea materialelor moi este sugerată de nenumăratele exemple de sisteme animale și vegetale. Structurile rigide, cum ar fi scheletele sau exoscheletele, sunt întotdeauna însoțite de țesuturi moi. Acestea includ mecanisme pentru a varia caracteristicile materialului, cum ar fi rigiditatea, elasticitatea și proprietățile suprafeței etc. (Kim și colab., 2013) pentru generarea mișcării prin mușchi și pentru facilitarea detectării în piele prin mecanoreceptori încorporați.

Conformitatea, sau blândețea, este, de asemenea, necesară pentru implementarea principiilor inteligenței întruchipate sau a calculului morfologic, o viziune modernă a inteligenței, atribuind un rol mai puternic corpului fizic și interacțiunii acestuia cu mediul. Gândirea actuală în domeniul roboticii este că un comportament rapid, eficient și robust poate fi atins prin exploatarea adecvată a proprietăților materialelor și în special a moliciunii (Pfeifer și colab., 2012) și că materialele moi ne pot permite să automatizăm sarcini care depășesc capacitățile de tehnologia actuală a roboticii. Importanța părților moi ale corpului apare clar în organismele naturale, pentru a spori adaptabilitatea și robustețea. De exemplu, pielea este moale și deformabilă, în timp ce este robustă și rezistentă la apă și este evident că are un rol semnificativ în apucarea și manipularea.

Într-adevăr, utilizarea tehnologiilor de rigiditate moale deformabile și variabile în robotică reprezintă o abordare emergentă pentru a construi noi clase de sisteme robotice care sunt de așteptat să interacționeze mai sigur cu mediul natural, nestructurat și cu oamenii și care se ocupă mai bine de sarcinile incerte și dinamice. [adică, apucarea și manipularea obiectelor necunoscute (Brown și colab., 2010), locomoția în terenuri accidentate (Lin și colab., 2011), contactele fizice cu corpurile umane etc.].

Domeniul roboticii moi crește la nivel mondial, dar merită remarcat faptul că, atunci când vorbim despre „robotica moale”, ar trebui să se distingă două abordări majore în furnizarea de interacțiuni moi: (1) controlul rigidității actuatorului robotului cu legături rigide (Albu- Schäffer și colab., 2008) și (2) catifelare intrinsecă datorită caracteristicilor pasive ale caroseriei robotului (Trivedi și colab., 2008).

În prima abordare, roboții sunt construiți cu legături rigide tradiționale, dar sistemul de control variază rezistența pe care robotul trebuie să o prezinte la interacțiunea cu mediul (obiecte sau persoane), fie prin scheme de control al conformității, fie prin impedanță (Siciliano și Villani, 1999). În reabilitare, roboții utilizați pentru kinetoterapie sunt controlați cu scheme de control al interacțiunii, care le reglează rigiditatea în conformitate cu forțele aplicate de pacienți (Krebs și colab., 2000). Încă după prima abordare, actuatoarele sunt proiectate pentru a avea impedanță variabilă. Așa-numiții actuatori cu impedanță variabilă (VIA) pot prezenta un comportament în care rigiditatea de ieșire poate varia independent de poziția de ieșire (Vanderborght și colab., 2009; Visser și colab., 2011).

În cea de-a doua abordare, roboții sunt fabricați din materiale moi și suferă deformări mari în timpul interacțiunii. În această metodă diferită, se utilizează elemente de acționare moi și materiale care pot varia rigiditatea lor, iar controlul lor este parțial încorporat în morfologia corpului. Această abordare exploatează proprietățile materiale ale robotului și capacitatea acestuia de a interacționa cu mediul (Brooks, 1991; Pfeifer și Bongard, 2007). Roboții cu corp moale sunt capabili să efectueze deformări relativ mari în condiții tipice de încărcare și pot exploata deformările pasive ale corpului pentru a se adapta la mediu (Brown și colab., 2010). Astfel, sarcinile care în abordarea clasică sunt îndeplinite de sistemul de control pot fi parțial redundante prin proprietățile mecanice ale corpului fizic însuși (Pfeifer și Bongard, 2007). Principalul avantaj este că arhitectura complexă și precisă de control poate fi simplificată folosind materiale foarte conforme cu rigiditate variabilă, în care controlul este parțial încorporat în morfologia corpului, iar interacțiunile robotului cu obiectele sau mediul derivă din adaptabilitatea agentul în sine. Aceasta reprezintă baza teoriei calculului morfologic.

Robotica moale este intenționată aici în acest al doilea sens, adică utilizarea materialelor moi și punerea în aplicare a mecanismelor de variație a formei și rigidității corpului. Aceasta este o abordare radical transformatoare, deoarece abandonează ipotezele de bază ale roboticii. Depășirea acestor ipoteze înseamnă că teoriile și tehnicile roboticii bine cunoscute sunt slab aplicabile și că sunt necesare soluții noi.

Identificăm câteva provocări în proiectarea și controlul roboților moi, unele soluții tehnologice adecvate și abordări posibile, așa cum este descris în cele ce urmează.

Actuatoare inteligente și tehnologii de fabricație pentru roboți moi

În cadrul roboticii soft, este ușor de înțeles cum unul dintre cele mai importante blocaje în dezvoltarea de roboți eficienți este lipsa unor actuatoare soft fiabile și robuste. Cu toate acestea, apar tehnologii noi și promițătoare, care atrag atenția unui număr tot mai mare de grupuri de cercetare. Noile materiale inteligente cu același numitor comun de moliciune sau flexibilitate reprezintă următoarea frontieră în dezvoltarea actuatoarelor moi.

Aliajele de memorie a formei (SMA) sunt aliaje metalice capabile să sufere o anumită tulpină și, ulterior, își recuperează forma originală atunci când sunt încălzite. SMA-urile permit să reducă drastic dimensiunea, greutatea și complexitatea sistemelor robotizate. De fapt, raportul lor mare forță - greutate, cicluri mari de viață, volum neglijabil, capacitate de detectare și funcționare fără zgomot permit utilizarea acestei tehnologii în robotica moale (Cianchetti, 2013). Pe de altă parte, de obicei necesită curenți relativ mari, iar procesul de transducție nu este extrem de eficient. În plus, neliniaritatea ridicată și histerezisul asociate activării materialului fac ca SMA-urile să fie foarte dificil de controlat cu precizie.

O parte din aceste dezavantaje sunt evitate prin utilizarea polimerilor de memorie de formă (SMP), care exploatează același principiu ca SMA-urile, dar folosind diferite tipuri de stimuli (în afară de electricitate) pentru a declanșa activarea. Stimulii chimici sau termici, lumina și câmpurile magnetice sunt cele mai utilizate, demonstrând o eficiență de transducție mai mare, dar la costul unui timp de răspuns crescut. SMP-urile aparțin unei clase de polimeri inteligenți, care au atras un interes considerabil de cercetare în ultimii ani datorită aplicațiilor lor în sisteme micro-electromecanice și actuatori în dispozitive biomedicale. În mai multe domenii de aplicații, materialele SMP-urilor au fost implementate pentru a fi înlocuitori adecvați celor metalice datorită flexibilității, biocompatibilității și domeniului larg de modificări. O revizuire cuprinzătoare poate fi găsită în Ratna și Karger-Kocsis (2008).

Polimerii electroactivi (EAP) sunt o nouă clasă de tehnologii emergente și promițătoare, care a demonstrat deja capacitatea de a umple golul dintre mușchii naturali și artificiali. Cele mai multe dintre ele se bazează pe matrici polimerice activate cu mecanisme diferite, dar toate sunt dotate cu capacitatea de a varia dimensiunea și forma lor atunci când este furnizat un stimul electric (Mirfakhrai și colab., 2007). Au densități de putere mai mari decât cele ale mușchilor biologici, sunt ușor scalabile și fabricabile în formă liberă și sunt ideale pentru aplicații robotizate moi biomimetice și biomedicale. Pe de altă parte, în funcție de tehnologia EAP specifică, răspunsul lent sau solicitarea de tensiuni ridicate poate limita utilizarea acestora. Mai mult, fiabilitatea și robustețea ar trebui totuși îmbunătățite.

Actuator fluidic flexibil este un termen utilizat pentru o gamă largă de tipuri de sisteme, dar generic acestea cuprind o cameră de expansiune definită de un perete interior al unei centuri expandabile, care este conectată la cel puțin două puncte de ancorare. Astfel, dispozitivele de acționare sunt capabile să adapteze și să transforme o forță de presiune a fluidului împotriva peretelui interior într-o forță de tracțiune sau o mișcare de îndoire. Actuatoarele pneumatice sunt contractile, iar motoarele cu mișcare liniară sunt activate de presiunea gazului. Ele prezintă, în general, o densitate mare de putere, dar sunt necesare surse fluidice voluminoase, iar miniaturizarea este limitată. O recenzie recentă poate fi găsită în De Greef și colab. (2009).

Acționarea prin cablu are avantajul de a oferi o acțiune distribuită și continuă, iar cablurile pot fi montate în punctele dintr-un robot moale unde ar fi greu să plasați alți actuatori în caz contrar, deoarece motoarele puternice pot fi încorporate în afara robotului, menținându-l astfel flexibil. Deoarece transmisia prin cablu este continuă și este supusă unor probleme de reacție neglijabile, controlul este mult simplificat, dar pierderile de frecare de-a lungul robotului datorate cablurilor pot reduce controlabilitatea sistemului. Comparativ cu alte metode de acționare, acționarea prin cablu oferă o inerție, o greutate și un volum redus, garantează timpi de răspuns rapid și o transmisie pe distanță mare de forță și putere.

În afară de dispozitivele de acționare active, unele materiale inteligente au fost exploatate ca dispozitive de acționare semi-active, ceea ce înseamnă că acestea pot disipa energia numai în timpul unei interacțiuni mecanice. Această clasă specială de materiale oferă posibilitatea de a-și schimba proprietățile mecanice datorită stimulilor fizici controlați. Materialele termo, magneto și electro-reologice au capacitatea de a modifica rigiditatea de la valori asemănătoare fluidelor cu viscozitate scăzută la valori similare materialelor solide prin aplicarea de termice (Cheng și colab., 2010), magnetice sau electrice. (Yalcintas și Dai, 1999), respectiv. Principalele dezavantaje se datorează problemelor de control și timpului de răspuns scăzut (pentru activarea termică) sau câmpurilor ridicate necesare (pentru activarea magnetică și electrică).

Blocarea granulară este un alt fenomen care crește un interes din ce în ce mai mare pentru comportamentul impresionant, care permite particulelor să acționeze ca un lichid, solid sau ceva între ele, în funcție de un nivel de vid aplicat (Steltz și colab., 2010).

Deși accentul principal al cercetării în robotica moale este încă materialele și dispozitivele de acționare, fabricarea unui astfel de tip de artefacte reprezintă o altă provocare foarte importantă de înfruntat. Au fost dezvoltate noi procese de fabricație, inclusiv Fabricarea Depunerii Formei (SDM) și Microstructurile Compozite Inteligente (SCM) (Cho et al., 2009). Cu toate acestea, în ciuda interesului și nevoii crescânde pentru acest domeniu, în prezent există doar o mână de exemple de roboți soft, care se conformează definiției roboticii soft adoptate aici și cei mai mulți dintre ei integrează doar două sau trei dintre componentele raportate.

Arhitecturi de control și paradigme pentru roboții moi

După cum s-a menționat, teoriile și tehnicile bine cunoscute de control al robotului rezultă slab aplicabile atunci când roboții sunt construiți cu materiale moi și sunt în general roboți continuu (Robinson și Davies, 1999). Majoritatea abordărilor utilizate în prezent pentru modelul direct al roboților soft continuu sunt limitate la aproximarea în curbă constantă a pieselor (Camarillo și colab., 2009). Jones și colab. (2009) au prezentat un model de stare stabilă a robotului continuu neglijând acționarea. În lucrarea lui Boyer și colab. (2006), forța distribuită și cuplul care acționează asupra robotului sunt estimate, dar nu se face nicio discuție cu privire la dispozitivele de acționare care le-ar putea genera. Renda și colab. Au propus o abordare exactă geometrică a continuumului pentru robotul continuum condus de tendon. (2012). Este capabil să simuleze corect comportamentul cuplat al tendonului manipulatorilor de curbură neconstantiți, deoarece ia în considerare torsiunea robotului. În Wittmeier și colab. (2013), șase abordări diferite de control inspirate din teoria clasică a controlului, învățarea automată și neuroștiințe au fost evaluate în controlul unui robot cu cablu. Modelul invers propus în literatură pentru controlul robotului continuu moale urmează abordări diferite. O abordare modală a fost propusă de Chirikjian și Burdick (1994). În Giorelli și colab. (2012), este propusă o metodă de succes iacobiană pentru un manipulator non-constant cu curbură orientată de tendon.

Pe de altă parte, conceptele de inteligență întrupată și calcul morfologic pot ajuta la controlul roboților moi. Modul în care inteligența întruchipată poate fi exploatată este luând în considerare interacțiunea cu mediul. Diferit de abordările actuale, interacțiunea complexă a unui robot moale cu mediul nu este modelată analitic, ci este codificată în modele interne, construite prin învățarea din experiența din lumea fizică reală, în mod similar cu modul în care modelele interne sunt construite în creier (Laschi și colab., 2008). Modelele interne codifică corelațiile dintre datele senzoriale și motorii și codifică partea de control realizată de morfologia corpului care interacționează cu mediul, adică partea de control care este dată de calculul morfologic. Instrumentele sunt cele ale soft computingului, cu o atenție deosebită la rețelele neuronale auto-organizate (Asuni și colab., 2006).

Recent, rețelele neuronale au fost folosite în roboți continuu pentru a învăța configurațiile manipulatorului de la intrările actuatorului. Interesant este că Giorelli și colab. (2013) au prezentat o comparație a performanței unui controler de braț moale dezvoltat cu o abordare neuronală și cu o abordare iacobiană inversă, arătând modul în care sistemul de control neuronal poate lua în considerare variabilitatea brațului fără niciun efect asupra performanței.

Primii pași ai roboticii moi

Figura 1. Manipulator pneumatic sub formă de tentacul (Martinez și colab., 2013) (reprodus cu permisiunea lui John Wiley și Sons).