El término “robots blandos” diseña una amplia clase de sistemas robóticos cuya arquitectura incluye elementos blandos, con una elasticidad mucho mayor que la de los robots rígidos tradicionales. Los robots blandos articulados son robots con partes blandas y rígidas, inspirados en el sistema músculo-esquelético de los animales vertebrados, desde reptiles hasta aves, mamíferos y humanos. El cumplimiento se concentra típicamente en actuadores, transmisión y articulaciones (correspondientes a músculos, tendones y articulaciones) mientras que la estabilidad estructural es proporcionada por enlaces rígidos o semirrígidos (correspondientes a huesos en vertebrados).
El otro subgrupo de la amplia familia de robots blandos incluye robots blandos continuos , es decir, robots cuyo cuerpo es un continuum deformable, incluidos sus elementos estructurales, actuadores y sensores, y se inspiran en animales invertebrados como pulpos o babosas, o partes de animales. como una trompa de elefante.
Los robots blandos a menudo están diseñados para exhibir comportamientos naturales, robustez y adaptabilidad y, a veces, imitan las características mecánicas de los sistemas biológicos.
Características y diseño
Los robots blandos articulados se construyen inspirándose en las propiedades intrínsecas del sistema músculo-esquelético de los vertebrados, cuya naturaleza dócil permite a los humanos y animales realizar de manera efectiva y segura una gran variedad de tareas, que van desde caminar en terrenos irregulares, correr y escalar, hasta agarrar y manipular. También los hace resistentes a eventos inesperados y altamente dinámicos, como los impactos con el medio ambiente. La interacción de las propiedades físicas de los vertebrados con el control neuromotor sensorial hace que el movimiento sea muy eficiente desde el punto de vista energético, seguro y eficaz.
Los robots capaces de convivir y cooperar con las personas y alcanzar o incluso superar su rendimiento requieren de una tecnología de actuadores , encargada de mover y controlar al robot, que pueda alcanzar el rendimiento funcional del músculo biológico y su control neuromecánico.
La clase más prometedora de actuadores para robots blandos es la clase de actuadores de impedancia variable (VIA) y la subclase de actuadores de rigidez variable (VSA), dispositivos mecatrónicos complejos que se desarrollan para construir robots pasivamente obedientes, robustos y diestros. Los VSA pueden variar su impedancia directamente a nivel físico, sin necesidad de un control activo capaz de simular diferentes valores de rigidez. La idea de variar la impedancia mecánica de actuación proviene directamente de los sistemas musculoesqueléticos naturales, que a menudo exhiben esta característica. [1] [2] [3]
Una clase de actuadores de rigidez variable logran el control simultáneo del robot mediante el uso de dos motores de manera antagónica para manipular un resorte no lineal que actúa como una transmisión elástica entre cada uno de los motores y la parte móvil, para controlar tanto el punto de equilibrio del robot, y su rigidez o cumplimiento. [4] [5]
Dicho modelo de control es muy similar en filosofía a la hipótesis del punto de equilibrio del control motor humano . Esta similitud hace de la robótica blanda un campo de investigación interesante capaz de intercambiar ideas y conocimientos con la comunidad investigadora en neurociencia motora. [6]
Los actuadores de impedancia variable aumentan el rendimiento de los sistemas de robótica blanda en comparación con los robots rígidos tradicionales en tres aspectos clave: seguridad , resiliencia y eficiencia energética .
Seguridad en la interacción física humano-robot
Una de las características más revolucionarias y desafiantes de la clase de robots blandos articulados es la interacción física humano-robot. Los robots blandos diseñados para interactuar físicamente con personas están diseñados para coexistir y cooperar con humanos en aplicaciones como manipulación industrial asistida, ensamblaje colaborativo, trabajo doméstico, entretenimiento, rehabilitación o aplicaciones médicas. Claramente, estos robots deben cumplir con requisitos diferentes de los que se cumplen normalmente en las aplicaciones industriales convencionales: si bien es posible relajar los requisitos sobre la velocidad de ejecución y la precisión absoluta, preocupaciones como la seguridad y la confiabilidad se vuelven de gran importancia cuando los robots tienen que interactuar con humanos. . [7]
La seguridad se puede incrementar de diferentes formas. Los métodos clásicos incluyen el control y la sensorización, por ejemplo, pieles sensibles a la proximidad, o la adición de elementos blandos externos (cubiertas blandas y adaptables o bolsas de aire colocadas alrededor del brazo para aumentar las propiedades de absorción de energía de las capas protectoras).
La detección y el control avanzados pueden realizar un comportamiento "suave" a través del software. [8] Articulated Soft Robotics realiza un enfoque diferente para aumentar el nivel de seguridad de los robots que interactúan con los humanos al introducir la conformidad mecánica y la amortiguación directamente en el nivel de diseño mecánico., [9] [10]
“Con este enfoque, los investigadores tienden a reemplazar el cálculo basado en sensores de un comportamiento y su realización propensa a errores mediante el control activo del actuador, por su realización física directa, como en el ejemplo natural. Tener conformidad y amortiguación en la estructura del robot no es de ninguna manera suficiente para garantizar su seguridad, ya que de hecho podría ser incluso menos productivo para la energía elástica potencialmente almacenada: al igual que un brazo humano, un brazo de robot blando necesitará un control inteligente para que se comporte. suavemente como al acariciar a un bebé, o con fuerza como al golpear ” . [11]
Resiliencia
La interacción física de un robot con su entorno también puede ser peligrosa para el propio robot. De hecho, la cantidad de veces que un robot se daña debido a impactos o esfuerzo excesivo de fuerza es bastante grande.
La resiliencia a los choques no solo es fundamental para lograr aplicaciones viables de los robots en la vida cotidiana, sino que también sería muy útil en entornos industriales, ampliando sustancialmente el alcance de aplicabilidad de la tecnología robótica.
Las tecnologías de robótica blanda pueden proporcionar soluciones efectivas para absorber los golpes y reducir las aceleraciones: los materiales blandos se pueden utilizar como revestimientos o incluso como elementos estructurales en las extremidades de los robots, pero el principal desafío tecnológico sigue siendo el de los actuadores y transmisiones blandos. [12]
Rendimiento y eficiencia energética
El comportamiento dinámico de los actuadores con cumplimiento controlable garantiza un movimiento realista de alto rendimiento y una mayor eficiencia energética que los robots rígidos. [13]
La dinámica natural del robot puede adaptarse al entorno y, por lo tanto, el comportamiento físico intrínseco del sistema resultante se acerca al movimiento deseado. En estas circunstancias, los actuadores solo tendrían que inyectar y extraer energía dentro y fuera del sistema para pequeñas acciones correctivas, reduciendo así el consumo de energía. [14]
La idea de incorporar dinámicas deseables en las propiedades físicas de los robots blandos encuentra su aplicación natural en robots humanoides , que tienen que parecerse a los movimientos de los humanos, o en sistemas robóticos realizados para usos protésicos, por ejemplo, manos artificiales antropomórficas . Un ejemplo relevante de uso es el de los robots para caminar / correr: [15] de hecho, el hecho de que los sistemas naturales cambien la elasticidad de su sistema muscular dependiendo de la marcha y las condiciones ambientales, e incluso durante las diferentes fases de la marcha, parece indican la utilidad potencial de los actuadores de impedancia variable (VIA) para la locomoción. [16] Una tendencia emergente de uso de tecnologías VIA está relacionada con el crecimiento de una nueva categoría de robots industriales conectados a Industry4.0 , los Co-Bots .
La exploración del potencial completo de los robots blandos está dando lugar a más y más aplicaciones en las que los robots superan el rendimiento de los robots convencionales, y se cree ampliamente que aún quedan más aplicaciones por venir [17]
Proyectos e iniciativas europeos relacionados
- SOMA (manipulación suave)
- SOFTPRO (Fundaciones y tecnologías de código abierto basadas en sinergias para prótesis y rehabilitación)
- MANOS SUAVES
- Iniciativa Natural Natural Machine Motion (NMMI)
- SAPHARI (Interacción física segura y autónoma entre robots y humanos)
- VIACTORES (sistemas de actuación de impedancia variable que incorporan comportamientos de interacción avanzados)
- ROBLOG (Robot cognitivo para la automatización de procesos logísticos)
- EL (La mano encarnada)
- PHRIENDS (Interacción física humano-robot, confiabilidad y seguridad)
Ver también
Referencias
- ^ A. Albu Schaeffer, A. Bicchi: "Actuadores novedosos para robótica suave", Manual de robótica de Springer, 2016.
- ^ F. Angelini, C. Della Santina ,, Garabini, M., Bianchi, M., Gasparri, GM, Grioli, G., Catalano, MG y Bicchi, A., “ Control de seguimiento de trayectoria descentralizado para robots blandos que interactúan con el medio ambiente ”, IEEE Transactions on Robotics (T-RO)
- ^ S. Wolf, G. Hirzinger: Un nuevo diseño de rigidez variable: requisitos coincidentes de la próxima generación de robots, Proc. IEEE Int. Conf. Robótica Autom. (ICRA) (2008) págs. 1741–1746
- ^ Lobo, S, Grioli, G, Eiberger, O, Friedl, W, Grebenstein, M, Hoppner, H, Burdet, E, Caldwell, DG, Carloni, R, Catalano, MG, Lefeber, D, Stramigioli, S, Tsagarakis , NG, Damme, VM, Ham, VR, Vanderborght, B, Visser, LC, Bicchi, A, Albu-Schaeffer, " A Variable Stiffness Actuators: Review on Design and Components ", IEEE / ASME Transactions on Mechatronics, 2016).
- ^ Grioli, G, Wolf, S, Garabini, M, Catalano, MG, Burdet, E, Caldwell, DG, Carloni, R, Friedl, W, Grebenstein, M, Laffranchi, M, Lefeber, D, Stramigioli, S, Tsagarakis , NG, Damme, VM, Vanderborght, B, Albu-Schaeffer, A, Bicchi, A, " Actuadores de rigidez variable: el punto de vista del usuario ", Int. J. Investigación robótica, 2015
- ^ C. Della Santina, Bianchi, M., Grioli, G., Angelini, F., Catalano, MG, Garabini, M. y Bicchi, A., " Control de robots blandos: equilibrio de retroalimentación y elementos de retroalimentación ", IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 24, no. 3, págs. 75 - 83, 2017
- ^ No hacer daño a los humanos: los robots de la vida real obedecen las leyes de Asimov https://www.sciencedaily.com/releases/2008/09/080908201841.htm
- ^ G. Hirzinger, A. Albu-Schäffer, M. Hähnle, I. Schaefer, N. Sporer: Sobre una nueva generación de robots ligeros controlados por par, Proc. IEEE Int. Conf. Robótica Autom. (ICRA) (2001) págs. 3356–3363
- ^ A. Bicchi y G. Tonietti, "Tácticas de brazo suave y rápido: Cómo lidiar con la compensación entre seguridad y rendimiento en el diseño y control de brazos robóticos", Revista IEEE Robotics and Automation, vol. 11, No. 2, junio de 2004
- ^ S. Haddadin, S. Haddadin, A. Khoury, T. Rokahr, S. Parusel, R. Burgkart, A. Bicchi, A. Albu-Schaeffer: Sobre hacer que los robots comprendan la seguridad: Incorporación del conocimiento de las lesiones en el control, Int. J. Robotics Res. 31 de diciembre de 1578–1602 (2012)
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- ^ S. Haddadin, MC Özparpucu, AA Schäffer: Control óptimo para maximizar la energía potencial en juntas de rigidez variable, Proc. 51a Conf. IEEE Decis. Control (CDC), Maui (2012)
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- ^ B. Vanderborght, B. Verrelst, R. Van Ham, M. Van Damme, D. Lefeber: Un bípedo neumático: resultados de marcha experimental y experimentos de adaptación de cumplimiento, Proc. En t. Conf. Robots humanoides, Tsukuba (2006)
- ^ LC Visser, S. Stramigioli, R. Carloni: Caminata bípeda robusta con rigidez variable en las piernas, Proc. 4 ° IEEE / RAS / EMBS Int. Conf. Biomed. Biomechatron robótica. (BioRob) (2012) págs. 1626–1631
- ^ C. Della Santina, Piazza, C., Gasparri, GM, Bonilla, M., Catalano, MG, Grioli, G., Garabini, M. y Bicchi, A., " La búsqueda del movimiento natural de la máquina: una apertura Plataforma para la creación rápida de prototipos de robots blandos articulados ”, IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 24, no. 1, págs.48 - 56, 2017