Wiele istniejących systemów robotyki czerpie inspirację z natury, sztucznie odtwarzając procesy biologiczne, naturalne struktury lub zachowania zwierząt, aby osiągnąć określone cele. Dzieje się tak dlatego, że zwierzęta i rośliny są z natury wyposażone w zdolności, które pomagają im przetrwać w odpowiednich środowiskach, co może również poprawić wydajność robotów poza środowiskami laboratoryjnymi.
„Miękkie ramiona robota to nowa generacja robotycznych manipulatorów, które czerpią inspirację z zaawansowanych możliwości manipulacyjnych wykazanych przez organizmy „bez kości”, takie jak macki ośmiornic, trąby słoni, rośliny itp.” – Enrico Donato, jeden z badaczy, który przeprowadził badanie badanie, powiedział Tech Xplore. „Przełożenie tych zasad na rozwiązania inżynieryjne skutkuje systemami składającymi się z elastycznych, lekkich materiałów, które mogą ulegać płynnemu odkształceniu sprężystemu, aby zapewnić zgodny i zręczny ruch. Ze względu na te pożądane cechy systemy te dopasowują się do powierzchni i wykazują wytrzymałość fizyczną oraz bezpieczną obsługę dla człowieka przy potencjalnie niskich kosztach.
Chociaż miękkie ramiona robota można zastosować do szerokiego zakresu problemów występujących w świecie rzeczywistym, mogą być one szczególnie przydatne do automatyzacji zadań wymagających dotarcia do pożądanych miejsc, które mogą być niedostępne dla sztywnych robotów. Wiele zespołów badawczych podejmowało ostatnio próby opracowania sterowników, które umożliwiłyby tym elastycznym ramionom skuteczne radzenie sobie z tymi zadaniami.
„Ogólnie rzecz biorąc, funkcjonowanie takich sterowników opiera się na formułach obliczeniowych, które mogą stworzyć prawidłowe mapowanie pomiędzy dwiema przestrzeniami operacyjnymi robota, tj. przestrzenią zadań i przestrzenią elementu wykonawczego” – wyjaśnił Donato. „Jednak prawidłowe funkcjonowanie tych sterowników zasadniczo opiera się na sprzężeniu zwrotnym wizyjnym, co ogranicza ich ważność w środowiskach laboratoryjnych, ograniczając możliwość wdrożenia tych systemów w środowiskach naturalnych i dynamicznych. Ten artykuł jest pierwszą próbą przezwyciężenia tego nierozwiązanego ograniczenia i rozszerzenia zasięgu tych systemów na środowiska nieustrukturyzowane.
„Wbrew powszechnemu błędnemu przekonaniu, że rośliny się nie poruszają, rośliny aktywnie i celowo przemieszczają się z jednego punktu do drugiego, korzystając ze strategii ruchu opartych na wzroście” – powiedział Donato. „Te strategie są tak skuteczne, że rośliny mogą skolonizować prawie wszystkie siedliska na planecie, a jest to zdolność, której brakuje w królestwie zwierząt. Co ciekawe, w przeciwieństwie do zwierząt, strategie ruchu roślin nie wywodzą się z centralnego układu nerwowego, ale raczej powstają w wyniku wyrafinowanych form zdecentralizowanych mechanizmów obliczeniowych.
Strategia kontroli leżąca u podstaw funkcjonowania kontrolera badaczy próbuje odtworzyć wyrafinowane zdecentralizowane mechanizmy leżące u podstaw ruchów roślin. Zespół w szczególności wykorzystał narzędzia sztucznej inteligencji oparte na zachowaniach, które składają się ze zdecentralizowanych agentów obliczeniowych połączonych w oddolną strukturę.
„Nowość naszego inspirowanego biologią kontrolera polega na jego prostocie, w której wykorzystujemy podstawowe funkcje mechaniczne miękkiego ramienia robota, aby wygenerować ogólne zachowanie sięgania” – powiedział Donato. „W szczególności miękkie ramię robota składa się z nadmiarowego układu miękkich modułów, z których każdy jest aktywowany poprzez triadę promieniowo rozmieszczonych siłowników. Powszechnie wiadomo, że dla takiej konfiguracji system może wygenerować sześć głównych kierunków zginania.
Agenci obliczeniowi stanowiący podstawę działania kontrolera zespołu wykorzystują konfigurację amplitudy i synchronizacji siłownika do odtworzenia dwóch różnych typów ruchów rośliny, znanych jako okrążanie i fototropizm. Cyrknutacje to oscylacje powszechnie obserwowane u roślin, natomiast fototropizm to ruchy kierunkowe, które przybliżają gałęzie lub liście rośliny do światła.
Kontroler stworzony przez Donato i jego współpracowników może przełączać się między tymi dwoma zachowaniami, uzyskując sekwencyjną kontrolę ramion robotów obejmującą dwa etapy. Pierwszy z tych etapów to faza eksploracji, podczas której ramiona eksplorują otoczenie, natomiast drugi to faza dotarcia, podczas której poruszają się, aby dotrzeć do pożądanego miejsca lub obiektu.
„Być może najważniejszym wnioskiem z tej konkretnej pracy jest to, że po raz pierwszy umożliwiono wykorzystanie nadmiarowych miękkich ramion robota do osiągania możliwości poza środowiskiem laboratoryjnym, za pomocą bardzo prostych ram sterowania” – powiedział Donato. „Co więcej, kontroler można zastosować do dowolnego oprogramowaniarobotramię zapewniało podobny układ uruchamiający. Jest to krok w kierunku wykorzystania wbudowanych strategii wykrywania i rozproszonego sterowania w robotach ciągłych i miękkich”.
Jak dotąd badacze przetestowali swój kontroler w serii testów, korzystając z modułowego, napędzanego kablem, lekkiego i miękkiego ramienia robota o 9 stopniach swobody (9-DoF). Wyniki były bardzo obiecujące, ponieważ kontroler umożliwiał ramieniu zarówno eksplorację otoczenia, jak i dotarcie do docelowej lokalizacji skuteczniej niż w przypadku innych strategii kontroli proponowanych w przeszłości.
W przyszłości nowy kontroler będzie można zastosować w innych miękkich ramionach robotycznych i przetestować zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i rzeczywistych, aby dokładniej ocenić jego zdolność do radzenia sobie z dynamicznymi zmianami środowiskowymi. Tymczasem Donato i jego współpracownicy planują dalej rozwijać swoją strategię sterowania, tak aby mogła ona generować dodatkowe ruchy i zachowania ramion robota.
„Obecnie szukamy możliwości zwiększenia możliwości kontrolera, aby umożliwić bardziej złożone zachowania, takie jak śledzenie celu, splatanie całych ramion itp., aby umożliwić takim systemom działanie w środowisku naturalnym przez długie okresy czasu” – dodał Donato.
Czas publikacji: 6 czerwca 2023 r