Bộ điều khiển lấy cảm hứng từ thực vật có thể tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của cánh tay robot trong môi trường thế giới thực

Nhiều hệ thống robot hiện có lấy cảm hứng từ thiên nhiên, tái tạo một cách nhân tạo các quá trình sinh học, cấu trúc tự nhiên hoặc hành vi của động vật để đạt được các mục tiêu cụ thể. Điều này là do động vật và thực vật được trang bị bẩm sinh những khả năng giúp chúng tồn tại trong môi trường tương ứng và do đó cũng có thể cải thiện hiệu suất của robot bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Robot lấy cảm hứng từ não (BRAIR), Viện BioRobotics của Trường Nghiên cứu Cao cấp Sant'Anna ở Ý và Đại học Quốc gia Singapore gần đây đã phát triển một loại robot lấy cảm hứng từ thực vật.điều đó có thể cải thiện hiệu suất của cánh tay robot trong môi trường thế giới thực, không có cấu trúc. Bộ điều khiển này được giới thiệu trong một bài báo trình bày tại hội nghịIEEE RoboSoft 2023ở Singapore và được chọn trong số những người lọt vào vòng chung kết cho giải thưởng bài báo sinh viên xuất sắc nhất, đặc biệt cho phépđể hoàn thành các nhiệm vụ liên quan đến việc tiếp cận các vị trí hoặc vật thể cụ thể trong môi trường xung quanh.

“Cánh tay robot mềm là thế hệ điều khiển robot mới lấy cảm hứng từ khả năng thao tác tiên tiến được thể hiện bởi các sinh vật 'không xương', chẳng hạn như xúc tu bạch tuộc, vòi voi, thực vật, v.v.,” Enrico Donato, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu cho biết. nghiên cứu nói với Tech Xplore. “Việc chuyển những nguyên tắc này thành các giải pháp kỹ thuật sẽ tạo ra các hệ thống được tạo thành từ vật liệu nhẹ linh hoạt, có thể trải qua biến dạng đàn hồi trơn tru để tạo ra chuyển động tuân thủ và khéo léo. Do những đặc điểm mong muốn này, các hệ thống này phù hợp với bề mặt và thể hiện độ bền vật lý cũng như hoạt động an toàn cho con người với chi phí thấp.”

Mặc dù cánh tay robot mềm có thể được áp dụng cho nhiều vấn đề trong thế giới thực, nhưng chúng có thể đặc biệt hữu ích để tự động hóa các nhiệm vụ liên quan đến việc tiếp cận các vị trí mong muốn mà robot cứng không thể tiếp cận được. Nhiều nhóm nghiên cứu gần đây đang cố gắng phát triển bộ điều khiển cho phép những cánh tay linh hoạt này thực hiện các nhiệm vụ này một cách hiệu quả.

Donato giải thích: “Nói chung, hoạt động của các bộ điều khiển như vậy phụ thuộc vào các công thức tính toán có thể tạo ra ánh xạ hợp lệ giữa hai không gian hoạt động của robot, tức là không gian nhiệm vụ và không gian bộ truyền động”. “Tuy nhiên, hoạt động bình thường của các bộ điều khiển này thường phụ thuộc vào phản hồi bằng hình ảnh, điều này hạn chế hiệu lực của chúng trong môi trường phòng thí nghiệm, hạn chế khả năng triển khai của các hệ thống này trong môi trường tự nhiên và năng động. Bài viết này là nỗ lực đầu tiên nhằm khắc phục hạn chế chưa được giải quyết này và mở rộng phạm vi tiếp cận của các hệ thống này sang các môi trường phi cấu trúc.”

Vì hầu hết các bộ điều khiển hiện có dành cho cánh tay robot mềm chủ yếu hoạt động tốt trong môi trường phòng thí nghiệm nên Donato và các đồng nghiệp của ông đã bắt đầu tạo ra một loại bộ điều khiển mới cũng có thể áp dụng được trong môi trường thế giới thực. Bộ điều khiển mà họ đề xuất được lấy cảm hứng từ chuyển động và hành vi của thực vật.

Donato cho biết: “Trái ngược với quan niệm sai lầm phổ biến rằng thực vật không di chuyển, thực vật di chuyển một cách chủ động và có mục đích từ điểm này sang điểm khác bằng cách sử dụng các chiến lược di chuyển dựa trên sự tăng trưởng”. “Những chiến lược này hiệu quả đến mức thực vật có thể xâm chiếm hầu hết các môi trường sống trên hành tinh, một khả năng mà thế giới động vật còn thiếu. Điều thú vị là, không giống như động vật, các chiến lược di chuyển của thực vật không xuất phát từ hệ thống thần kinh trung ương, mà đúng hơn, chúng phát sinh do các dạng cơ chế tính toán phi tập trung phức tạp.”

Chiến lược kiểm soát làm nền tảng cho hoạt động của bộ điều khiển của các nhà nghiên cứu cố gắng tái tạo các cơ chế phi tập trung phức tạp làm nền tảng cho chuyển động của thực vật. Nhóm đặc biệt sử dụng các công cụ trí tuệ nhân tạo dựa trên hành vi, bao gồm các tác nhân điện toán phi tập trung được kết hợp theo cấu trúc từ dưới lên.

Donato cho biết: “Tính mới của bộ điều khiển lấy cảm hứng từ sinh học của chúng tôi nằm ở tính đơn giản của nó, nơi chúng tôi khai thác các chức năng cơ học cơ bản của cánh tay robot mềm để tạo ra hành vi tiếp cận tổng thể”. “Đặc biệt, cánh tay robot mềm bao gồm sự sắp xếp dự phòng của các mô-đun mềm, mỗi mô-đun mềm được kích hoạt thông qua bộ ba bộ truyền động được bố trí hướng tâm. Ai cũng biết rằng với cấu hình như vậy, hệ thống có thể tạo ra sáu hướng uốn nguyên tắc.”

Các tác nhân điện toán làm nền tảng cho hoạt động của bộ điều khiển của nhóm khai thác biên độ và thời gian của cấu hình bộ truyền động để tái tạo hai loại chuyển động khác nhau của thực vật, được gọi là chuyển động vòng tròn và chuyển động hướng quang. Sự tuần hoàn là những dao động thường thấy ở thực vật, trong khi tính hướng quang là những chuyển động có hướng đưa cành hoặc lá của cây đến gần ánh sáng hơn.

Bộ điều khiển do Donato và các đồng nghiệp của ông tạo ra có thể chuyển đổi giữa hai hành vi này, đạt được khả năng điều khiển tuần tự các cánh tay robot trải dài qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên trong số này là giai đoạn khám phá, trong đó các cánh tay khám phá môi trường xung quanh, trong khi giai đoạn thứ hai là giai đoạn tiếp cận, nơi chúng di chuyển để đến một vị trí hoặc đối tượng mong muốn.

Donato cho biết: “Có lẽ điểm thu được quan trọng nhất từ ​​công việc cụ thể này là đây là lần đầu tiên các cánh tay robot mềm dư thừa được kích hoạt để đạt được khả năng bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm, với khung điều khiển rất đơn giản”. “Hơn nữa, bộ điều khiển có thể áp dụng cho bất kỳ phần mềm nàocánh tay cung cấp một sự sắp xếp truyền động tương tự. Đây là một bước hướng tới việc sử dụng các chiến lược điều khiển phân tán và cảm biến nhúng trong các robot mềm và liên tục.”

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm bộ điều khiển của họ trong một loạt thử nghiệm, sử dụng cánh tay robot mềm, nhẹ và được điều khiển bằng cáp mô-đun với 9 bậc tự do (9-DoF). Kết quả của họ rất hứa hẹn, vì bộ điều khiển cho phép cánh tay vừa khám phá môi trường xung quanh vừa tiếp cận vị trí mục tiêu hiệu quả hơn các chiến lược điều khiển khác được đề xuất trước đây.

Trong tương lai, bộ điều khiển mới có thể được áp dụng cho các cánh tay robot mềm khác và được thử nghiệm trong cả phòng thí nghiệm và môi trường thực tế, để đánh giá thêm khả năng của nó trong việc đối phó với những thay đổi năng động của môi trường. Trong khi đó, Donato và các đồng nghiệp của ông có kế hoạch phát triển chiến lược điều khiển của họ hơn nữa để có thể tạo ra các chuyển động và hành vi bổ sung của cánh tay robot.

Donato cho biết thêm: “Chúng tôi hiện đang tìm cách nâng cao khả năng của bộ điều khiển để cho phép thực hiện các hành vi phức tạp hơn như theo dõi mục tiêu, điều khiển toàn bộ cánh tay, v.v., để cho phép các hệ thống như vậy hoạt động trong môi trường tự nhiên trong thời gian dài”.


Thời gian đăng: Jun-06-2023