Термин «мягкие роботы» обозначает широкий класс роботизированных систем, архитектура которых включает мягкие элементы, обладающие гораздо большей эластичностью, чем традиционные жесткие роботы. Шарнирные мягкие роботы — это роботы как с мягкими, так и с жесткими частями, вдохновленные опорно-двигательным аппаратом позвоночных животных — от рептилий до птиц, млекопитающих и людей. Податливость обычно сосредоточена в приводах, трансмиссии и суставах (соответствующих мышцам, сухожилиям и сочленениям), в то время как структурная устойчивость обеспечивается жесткими или полужесткими связями (соответствующими костям позвоночных).
Другая подгруппа в широком семействе мягких роботов включает континуальных мягких роботов , то есть роботов, тело которых представляет собой деформируемый континуум, включая его структурные, исполнительные и чувствительные элементы, и черпает вдохновение у беспозвоночных животных, таких как осьминоги или слизни, или частей животных, таких как хобот слона.
Мягкие роботы часто проектируются так, чтобы демонстрировать естественное поведение, надежность и адаптивность, а иногда имитировать механические характеристики биологических систем.
Сочлененные мягкие роботы созданы на основе внутренних свойств мышечно-скелетной системы позвоночных, чья податливая природа позволяет людям и животным эффективно и безопасно выполнять широкий спектр задач, начиная от ходьбы по неровной местности, бега и лазания, до хватания и манипулирования. Это также делает их устойчивыми к высокодинамичным, неожиданным событиям, таким как столкновения с окружающей средой. Взаимодействие физических свойств позвоночных с нейронным сенсорно-моторным контролем делает движение очень энергоэффективным, безопасным и эффективным.
Для того чтобы роботы могли сосуществовать и взаимодействовать с людьми, а также достигать или даже превосходить их производительность, необходима технология приводов , отвечающих за перемещение и управление роботом, которая могла бы достичь функциональной производительности биологической мышцы и ее нейромеханического управления.
Наиболее перспективным классом актуаторов для мягких роботов является класс актуаторов с переменным импедансом (VIA) и подкласс актуаторов с переменной жесткостью (VSA), сложных мехатронных устройств, которые разработаны для создания пассивно податливых, надежных и ловких роботов. [1] VSA могут изменять свой импеданс непосредственно на физическом уровне, таким образом, без необходимости активного управления, способного имитировать различные значения жесткости. Идея изменения механического импеданса приведения в действие исходит непосредственно из естественных опорно-двигательных систем, которые часто демонстрируют эту особенность. [2] [3] [4]
Класс приводов с переменной жесткостью обеспечивает одновременное управление роботом, используя два двигателя антагонистически для манипулирования нелинейной пружиной, которая действует как упругая передача между каждым из двигателей и движущейся частью, таким образом, чтобы контролировать как точку равновесия робота, так и его жесткость или податливость. [5] [6]
Такая модель управления очень похожа по философии на гипотезу точки равновесия человеческого моторного контроля . Это сходство делает мягкую робототехнику интересной областью исследований, способной обмениваться идеями и идеями с исследовательским сообществом в области моторной нейробиологии. [7]
Приводы с переменным импедансом повышают производительность мягких робототехнических систем по сравнению с традиционными жесткими роботами по трем ключевым аспектам: безопасность , устойчивость и энергоэффективность .
Одной из самых революционных и сложных особенностей класса сочлененных мягких роботов является физическое взаимодействие человека и робота. Мягкие роботы, предназначенные для физического взаимодействия с людьми, предназначены для сосуществования и сотрудничества с людьми в таких приложениях, как вспомогательные промышленные манипуляции, совместная сборка, работа по дому, развлечения, реабилитация или медицинские приложения. Очевидно, что такие роботы должны соответствовать требованиям, отличным от тех, которые обычно встречаются в обычных промышленных приложениях: хотя можно было бы смягчить требования к скорости выполнения и абсолютной точности, такие проблемы, как безопасность и надежность, становятся очень важными, когда роботам приходится взаимодействовать с людьми. [8]
Безопасность можно повысить разными способами. Классические методы включают контроль и сенсоризацию, например, чувствительные к приближению кожи или добавление внешних мягких элементов (мягкие и податливые покрытия или подушки безопасности, размещаемые вокруг руки для повышения энергопоглощающих свойств защитных слоев).
Расширенные возможности датчиков и управления позволяют реализовать «мягкое» поведение с помощью программного обеспечения. [9] Articulated Soft Robotics реализует другой подход к повышению уровня безопасности роботов, взаимодействующих с людьми, путем внедрения механической податливости и демпфирования непосредственно на уровне механического проектирования., [10] [11]
«При таком подходе исследователи стремятся заменить основанное на датчиках вычисление поведения и его подверженную ошибкам реализацию с использованием активного управления приводом на его прямое физическое воплощение, как в естественном примере. Наличие податливости и демпфирования в структуре робота ни в коем случае не является достаточным для обеспечения его безопасности, поскольку это может быть даже контрпродуктивно для потенциально сохраненной упругой энергии: как и человеческая рука, мягкая рука робота будет нуждаться в интеллектуальном управлении, чтобы заставить ее вести себя мягко, как при ласке ребенка, или сильно, как при ударе» . [12]
Физическое взаимодействие робота с окружающей средой также может быть опасным для самого робота. Действительно, число случаев, когда робот получает повреждения из-за ударов или перенапряжения силы, довольно велико.
Устойчивость к ударам не только играет важную роль в достижении эффективного применения роботов в повседневной жизни, но и будет весьма полезна в промышленных условиях, существенно расширяя сферу применения робототехники.
Технологии мягкой робототехники могут обеспечить решения, которые эффективны для поглощения ударов и снижения ускорений: мягкие материалы могут использоваться в качестве покрытий или даже в качестве структурных элементов в конечностях робота, но основная технологическая проблема остается с мягкими приводами и трансмиссиями. [13]
Динамическое поведение приводов с контролируемой податливостью гарантирует высокопроизводительное, реалистичное движение и более высокую энергоэффективность , чем у жестких роботов. [14]
Естественная динамика робота может адаптироваться к окружающей среде, и, таким образом, внутреннее физическое поведение полученной системы близко к желаемому движению. В этих обстоятельствах приводам нужно будет только вводить и извлекать энергию в систему и из нее для небольших корректирующих действий, тем самым снижая потребление энергии. [15]
Идея воплощения желаемой динамики в физических свойствах мягких роботов находит свое естественное применение в гуманоидных роботах , которые должны напоминать движения людей, или в роботизированных системах, реализованных для протезирования, например, антропоморфных искусственных руках . Соответствующим примером использования являются шагающие/бегущие роботы: [16] действительно, тот факт, что естественные системы изменяют податливость своей мышечной системы в зависимости от походки и условий окружающей среды, и даже во время различных фаз походки, по-видимому, указывает на потенциальную полезность приводов с переменным импедансом (VIA) для передвижения. [17] Возникающая тенденция использования технологий VIA связана с ростом новой категории промышленных роботов, подключенных к Industry4.0 , Co-Bots .
Исследование полного потенциала мягких роботов приводит к появлению все большего количества приложений, в которых роботы превосходят по производительности обычных роботов, и широко распространено мнение, что еще больше приложений появятся [18]
