Frontiers Soft Robotics Нові перспективи робототехніки та управління біоінженерією та

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.