Frontiere Soft Robotics Perspective noi pentru corpul roboților și controlul bioingineriei și

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.