Veel bestaande robotsystemen halen inspiratie uit de natuur en reproduceren op kunstmatige wijze biologische processen, natuurlijke structuren of diergedrag om specifieke doelen te bereiken. Dit komt omdat dieren en planten van nature zijn uitgerust met capaciteiten die hen helpen te overleven in hun respectievelijke omgevingen, en die dus ook de prestaties van robots buiten laboratoriumomgevingen zouden kunnen verbeteren.
“Zachte robotarmen zijn een nieuwe generatie robotmanipulatoren die inspiratie putten uit de geavanceerde manipulatiemogelijkheden van ‘beenloze’ organismen, zoals octopustentakels, olifantenslurven, planten, enz.,” Enrico Donato, een van de onderzoekers die dit onderzoek uitvoerde. het onderzoek, vertelde Tech Xplore. “Het vertalen van deze principes naar technische oplossingen resulteert in systemen die zijn opgebouwd uit flexibele, lichtgewicht materialen die een soepele elastische vervorming kunnen ondergaan om soepele en behendige bewegingen te produceren. Vanwege deze wenselijke eigenschappen passen deze systemen zich aan oppervlakken aan en vertonen ze fysieke robuustheid en mensveilige werking tegen potentieel lage kosten.”
Hoewel zachte robotarmen kunnen worden toegepast bij een breed scala aan problemen in de echte wereld, kunnen ze vooral nuttig zijn voor het automatiseren van taken waarbij gewenste locaties moeten worden bereikt die mogelijk ontoegankelijk zijn voor starre robots. Veel onderzoeksteams hebben onlangs geprobeerd controllers te ontwikkelen waarmee deze flexibele armen deze taken effectief kunnen uitvoeren.
"Over het algemeen is de werking van dergelijke controllers afhankelijk van computationele formuleringen die een geldige mapping kunnen creëren tussen twee operationele ruimtes van de robot, dat wil zeggen de taakruimte en de actuatorruimte", legt Donato uit. “De goede werking van deze controllers is echter over het algemeen afhankelijk van vision-feedback, wat hun geldigheid binnen laboratoriumomgevingen beperkt, waardoor de inzetbaarheid van deze systemen in natuurlijke en dynamische omgevingen wordt beperkt. Dit artikel is de eerste poging om deze ongeadresseerde beperking te overwinnen en het bereik van deze systemen uit te breiden naar ongestructureerde omgevingen.”
“In tegenstelling tot de algemene misvatting dat planten niet bewegen, bewegen planten zich actief en doelbewust van het ene punt naar het andere met behulp van bewegingsstrategieën die gebaseerd zijn op groei”, zegt Donato. “Deze strategieën zijn zo effectief dat planten bijna alle habitats op de planeet kunnen koloniseren, een mogelijkheid die in het dierenrijk ontbreekt. Interessant is dat, in tegenstelling tot dieren, strategieën voor de beweging van planten niet voortkomen uit een centraal zenuwstelsel, maar eerder voortkomen uit geavanceerde vormen van gedecentraliseerde computermechanismen.”
De controlestrategie die ten grondslag ligt aan het functioneren van de controller van de onderzoekers probeert de geavanceerde gedecentraliseerde mechanismen te repliceren die ten grondslag liggen aan de bewegingen van planten. Het team maakte specifiek gebruik van op gedrag gebaseerde kunstmatige intelligentie-instrumenten, die bestaan uit gedecentraliseerde computeragenten gecombineerd in een bottom-up-structuur.
“De nieuwigheid van onze bio-geïnspireerde controller ligt in zijn eenvoud, waarbij we de fundamentele mechanische functionaliteiten van de zachte robotarm benutten om het algemene reikgedrag te genereren”, aldus Donato. “Concreet bestaat de zachte robotarm uit een redundante opstelling van zachte modules, die elk worden geactiveerd door een drietal radiaal opgestelde actuatoren. Het is bekend dat het systeem voor een dergelijke configuratie zes hoofdbuigrichtingen kan genereren.”
De computeragenten die de werking van de controller van het team ondersteunen, maken gebruik van de amplitude en timing van de actuatorconfiguratie om twee verschillende soorten plantbewegingen te reproduceren, bekend als circumnutatie en fototropisme. Circumnutaties zijn oscillaties die vaak bij planten worden waargenomen, terwijl fototropisme gerichte bewegingen zijn die de takken of bladeren van een plant dichter bij het licht brengen.
De door Donato en zijn collega's gemaakte controller kan tussen deze twee gedragingen schakelen, waardoor de sequentiële besturing van robotarmen over twee fasen wordt bereikt. De eerste van deze fasen is een verkenningsfase, waarin de armen hun omgeving verkennen, terwijl de tweede een reikfase is, waarin ze bewegen om een gewenste locatie of object te bereiken.
“Misschien wel de belangrijkste conclusie van dit specifieke werk is dat dit de eerste keer is dat redundante zachte robotarmen mogelijkheden buiten de laboratoriumomgeving kunnen bereiken, met een zeer eenvoudig controlekader”, aldus Donato. “Bovendien is de controller toepasbaar op elke softrobotarm voorzag in een soortgelijke bedieningsopstelling. Dit is een stap in de richting van het gebruik van ingebedde detectie- en gedistribueerde controlestrategieën in continuüm- en zachte robots.”
Tot nu toe hebben de onderzoekers hun controller getest in een reeks tests, met behulp van een modulaire kabelaangedreven, lichtgewicht en zachte robotarm met 9 vrijheidsgraden (9-DoF). Hun resultaten waren veelbelovend, omdat de controller de arm in staat stelde zowel de omgeving te verkennen als een doellocatie effectiever te bereiken dan andere controlestrategieën die in het verleden werden voorgesteld.
In de toekomst zou de nieuwe controller kunnen worden toegepast op andere zachte robotarmen en kunnen worden getest in zowel laboratorium- als praktijkomgevingen, om het vermogen ervan om met dynamische veranderingen in de omgeving om te gaan verder te beoordelen. Ondertussen zijn Donato en zijn collega's van plan hun controlestrategie verder te ontwikkelen, zodat deze extra robotarmbewegingen en -gedragingen kan veroorzaken.
“We zijn momenteel bezig met het verbeteren van de mogelijkheden van de controller om complexer gedrag mogelijk te maken, zoals het volgen van doelen, het in elkaar draaien van de hele arm, enz., zodat dergelijke systemen gedurende langere tijd in natuurlijke omgevingen kunnen functioneren”, voegde Donato eraan toe.
Posttijd: 06-jun-2023