Система управления и модели применения мягких роботов
Система управления и модели применения мягких роботов
Аннотация
В статье детально проведен обзор существующей мягкой робототехники, рассмотрены способы реализации систем управления, а также вариации исполнения моделей таковых роботов. В результате анализа различных источников, связанных с робототехникой, выделена особенность, заключающаяся в том, что развитие мягкой робототехники возможно лишь при тесном взаимодействии таких сфер, как материаловедение, теории управления и синтеза инновационных технологий. Приведен широкий спектр применения и возможные перспективы развития для мягких роботов, а также различные среды для их моделирования. Особым направлением в мягкой робототехнике по результатам анализа соответствующих источников является применение таких роботов в медицине и биологии, что, в свою очередь, должно привести к революционным положительным достижениям для человечества, чем и обоснована необходимость совершенствования применяемых в мягкой робототехнике систем управления и видов их представления. Результатом данной статьи является обобщение и анализ информации касаемо способов применения мягких роботов и их исполнения, используемых в них систем управления и перспектив дальнейшего развития, и выводом по итогу является то, что можно говорить о большем потенциале развития данного направления научной деятельности, которое способно решить множество современных проблем для человечества.
1. Введение
В условиях стремительно развивающихся технологий, связанных с робототехникой, появление такого направления как «Мягкие роботы» вызвало настоящий всплеск и переосмысление существующих механизмов приведения в движение роботов. Благодаря адаптивности применения и гибкости применяемых материалов в конструкциях, свойственным мягким роботам, произошел революционный сдвиг при моделировании и создании робототехнических систем. Для осуществления каких-либо специальных движений роботов необходим управляющий сигнал, который генерирует система управления. При построении мягких роботов применяются инновационные гибкие материалы, что делает скелет робота гибким, а его движения становятся похожи на манипуляции живых организмов. Такая особенность позволяет применять мягкие роботы для решения сложных задач в медицине, биологии и на сложных производствах. Для своевременного реагирования на меняющиеся условия при осуществлении манипулировании мягкими роботами необходима адекватная система управления.
Функционирование системы управления мягких роботов основано на работе алгоритмов, полученных в результате синтеза инженерного изобретательства и основ биомеханического движения
. Существуют различные вариации представлений моделей мягких роботов, применяемых как в сфере медицины, так и в специальных процессах на производстве. Технологии, используемые в мягкой робототехнике, расширяют диапазон применения роботов в областях, ранее считавшихся недоступными или нецелесообразными для их использования.2. Основные результаты
Целью статьи является проведение анализа принципов построения и управления мягкими роботами, их предназначение и приведение возможной классификации для определения возможности их использования в задачах повседневной деятельности. Также одной из целей написания данной статьи является привлечение внимания исследователей к совершенствованию робототехники, что качественно может изменить существующее положение дел как в медицине, космических исследованиях и производстве.
Для достижения цели исследования необходимо простым и понятным языком описать известные механизмы, обеспечивающие движение и адаптацию мягких роботов в различных ситуациях, а также возможности, которые такие роботы предоставляют, в том числе такие, как помощь в хирургических операциях, протезировании и других специальных задачах.
На сегодняшний день применение мягких роботов дает новый толчок в изучении возможностей человека, а также улучшение качества производства, огромный потенциал применения мягких роботов в направлении космических исследований, а также глубинных океанских исследованиях и медицине. Развитие мягкой робототехники приводит и к развитию областей наук, на пересечении которых оно зародилось (биология, инженерные направления, антропология и др.). Также важным направлением развития мягкой робототехники является моделирование и симулирование различного рода процессов при обучении специалистов в области здравоохранения. Кроме того, значимость исследований в области мягкой робототехники состоит в изучении и влиянии взаимосвязей человека и машины, что позволит внедрить такие технологии в повседневную жизнь.
Мягкая робототехника представляет собой направление робототехники, ориентированное на технологии, способные воспроизводить физические характеристики живых организмов в роботах. Своего рода мягкие роботы являются формой биомимикрии, при которой традиционные механизмы построения робототехники заменяются гораздо более сложными моделями, имитирующими человеческую, животную и растительную жизнь
.Мягкие роботы имеют широкий спектр применения в различных направлениях жизни благодаря своим уникальным характеристикам. По области применения мягких роботов можно классифицировать следующим образом:
Медицина и здравоохранение (мягкие роботы могут использоваться в малоинвазивных хирургических операциях, обеспечивая точные движения в полости тела человека, устройства для реабилитации помогают пациентам в восстановлении подвижности);
Поиск и спасение (мягкие роботы могут самостоятельно определять направление движение и передвигаться по сложным и ограниченным в пространстве местах, например, в ходе поиска людей в завалах, в отличии от обычных роботов);
Исследования (мягкая робототехника подходит для исследования в сложно проходимых или непроходимых средах, таких как подводные исследования или исследования планет);
Взаимодействие человека с роботом (мягкие роботы более безопасны при взаимодействии с людьми, что делает их подходящими для применения в таких областях, как конвейеры на производстве и помощи людям с ограниченной подвижностью);
Сельское хозяйство (мягкие роботы могут использоваться для выполнения специальных задач в сельском хозяйстве, таких как сбор и обработка фруктов и овощей без их повреждения);
Протезирование (мягкая робототехника используется при изготовлении протезов со схожими человеческими характеристиками, а также экзоскелетов для улучшения таких характеристик как подвижность, твердость и гибкость);
Развлечения и социальные роботы (мягкие роботы могут использоваться в развлекательных и социальных средах, создавая реалистичных и интерактивных роботизированных персонажей из фильмов или мультфильмов);
Обработка материалов (мягкие роботы могут манипулировать объектами с неправильной формой и различными размерами, что делает их более универсальными и подходящими для обработки материалов на складах);
Мониторинг окружающей среды (мягкие роботы могут передвигаться по непроходимой местности для мониторинга и сбора данных, для проведения дальнейшего анализа при исследованиях в области экологии и климатологии и др.);
Образование и наука (мягкие роботы служат ценными инструментами для достижения понимания новых механизмов управления и материалов изготовления);
Военные исследования (разведка, уничтожение целей и др.).
Особые характеристики мягких роботов, связанные с материалами их изготовления делают их уникальными при решении специальных задач в различных областях деятельности, что стимулирует науку на постоянные исследования новых вариантов их применения и способов управления ими.
В таблице № 1 представлены результаты сравнение мягких роботов и традиционных роботов.
Таблица 1 - Сравнение мягких роботов и традиционных
Критерии | Мягкие Роботы | Традиционные роботы |
Гибкость и морфология | Изготовлены из гибких материалов, адаптивная морфология | Обычно жесткие с предопределенной структурой |
Взаимодействие с людьми | Безопасное взаимодействие с людьми, сниженный риск травм | Небезопасны, требуют дополнительные меры |
Область применения | Медицина, поисково-спасательные операции, исследования | Технические задачи по производству, повседневное использование |
Гибкость и чувствительность | Хорошая гибкость, материалы приятные на ощупь | Отсутствие гибкости, материалы неприятные на ощупь и тверды |
Производство и изготовление | 3D-печать, литье, синтез мягких материалов | Традиционные методы обработки, сборка с применением жестких материалов |
Способы приведения в движение | Движения при деформации | Зависит от мотора и структуры |
Существуют и другие виды классификаций мягких роботов такие как по виду применяемого привода, по количеству степеней свободы, по количеству секций, по жесткости и другие.
Следует подчеркнуть, что алгоритмы работы систем управления мягких роботов часто основаны на методах мягкого вычисления (под которыми понимают методологию использования неточных и математически строго не обоснованных методов и алгоритмов при решении задач, для которых не существует строгих подходов, позволяющих получить точный результат за приемлемое время), для примера можно привести манипулятор с тремя степенями свободы, где общая методология проектирования устойчивой базы знаний реализована специализированным интеллектуальным инструментарием. Так, координированное управление может быть основано на следующих элементах: единая база знаний, содержащая информацию о трех звеньях манипулятора и метод разделенного управления (независимые базы знаний для управления конкретными звеньями). Эффективность систем управления с использованием технологии мягкого вычисления сравнивали с системой управления, использующие генетическим алгоритмом. Для оценки работы систем управления использовался набор критериев эффективности, учитывающих методы теории автоматического управления для оценки переходных процессов и адаптированных к конкретному объекту управления (манипулятору с тремя степенями свободы). Оценку эффективности работы систем управления с разными вышеописанными алгоритмами работы, осуществили за счет моделирования в среде MatLab/Simulink и проведении серии экспериментов в работе
.Большой интерес вызывают исследования ученых по всему миру, занимающихся моделированием мягких роботов, которые будут более подробно рассмотрены ниже.
В
представлен всесторонний обзор текущего состояния дел при применении мягких роботов в биологии и медицинской сфере. Мягкие роботы, созданные из упругих и гибких материалов, похожи с биологическими системами и обладают определенными преимуществами перед их аналогами, которые реализованы традиционными роботами. Такими достоинствами являются безопасное взаимодействие с человеком, хорошая сопрягаемость с портативными средствами вычислительной техники, а также простота механизма осуществляющего захват объекта. В указанном источнике подробно описываются ключевые стадии проектирования мягких роботов, включая моделирование, управление, изготовление и применение, а также их недостатки и направления будущих исследований. Также в статье рассмотрены виды моделирования, основанные на кинематических, многотелесных, конечных элементах и численных методах. Метод конечных элементов наиболее пригоден при моделировании мягких роботов, поскольку это позволяет точно моделировать сложные процессы. Тем не менее в рассматриваемой статье подчеркивается, что в реальном времени при функционировании систем управления мягкими роботами появляются определенные трудности. Управление мягкими роботами в статье классифицируется на модельное и модельно-независимое. Модельно-независимое не зависят от явной аналитической или численной модели мягкого робота для изготовления привода. Приведены способы изготовления конструкций мягких роботов, включая работу со сплавами с функцией памяти формы, жидкими гелями, эластомерами и пьезоэлектриками. Требования к гибкости материалов мягких роботов ограничивает использование традиционных систем по изготовлению роботов. Техники изготовления мягких роботов существенно отличаются от применяемых для обычных роботов, они включают в себя простые методы литья и более сложные методы комплексного производства, такие как 3D-печать. Также в статье перечислены варианты использования и ограничения на использование медицинских мягких роботов, а также ориентировочная стоимость. Статья завершается обзором перспективных открытий в развивающейся области мягких роботов.В
исследуют область мягких роботов, обладающими электромагнитным полем, привлекшую к себе огромное внимание благодаря своим уникальным характеристикам. Эти роботы реагируют на воздействие магнитных полей, что выделяет их среди традиционных аналогов. Существенным преимуществом таких роботов является механическая податливость и биосовместимость. В статье приведен обзор передовых разработок в области магнитных мягких материалов и роботов, включая последние концепции и методы изготовления магнитных мягких материалов. Приведены успешные решения в области магнитных мягких роботов с перестраиваемыми структурами, инновационными технологиями, соответствующими моделями симуляции и их сложными функциональными возможностями. В заключение авторы затрагивают перспективные направления для будущего развития магнитных мягких роботов.В
приведены проблемы, с которыми сталкиваются мягкие роботы, обладающие уникальными возможностями, но ограниченные неэффективными технологиями масштабирования для их создания и сложностью алгоритмов для эффективного управления и движения. Эти ограничения обусловлены природой материалов изготовления и сложностью понимания алгоритмов функционирования мягких роботов. В статье представлены методы и платформы для изучения влияния распределения веса и других факторов на полностью беспроводных мягких роботов. Также в статье разработана расширяемая «Вибрирующая интеллектуальная пьезоэлектрическая робототехника» (рисунок 1), используемая в комплексе с симулятором, реализованным в среде моделирования PyBullet, известной как среда для осуществления анализа сложных взаимодействий, с возможностью моделирования влияния интегрированных элементов для робототехники, таких как сенсоры, датчики движения, батареи и других на работу системы и позволяющую произвести оценку различных стратегий распределения веса и управления для таких систем. Разработанное устройство поддерживает как физическое, так и математическое моделирование с использованием возможностей автоматического сбора данных. В заключении исследования говорится о том, что развитие мягкой робототехники может предоставить полезные рекомендации для оптимизации различных производственных процессов.
Рисунок 1 - Робот с пятью приводами
В
подробно рассматриваются последние достижения в стремительно развивающейся области мягкой робототехники, свидетельствующие о огромном потенциале для развития портативных мягких роботов. Основное внимание уделяется успешным решениям в области мягкой робототехнике, таким как портативные мягкие роботы, вспомогательная робототехника и биомедицинские устройства. Внутреннее устройство мягких робототехнических систем подвергаются подробному анализу, акцентируется их пригодность для портативных вариантов. Эти системы способны адаптироваться к движениям человеческого тела, обеспечивать достаточную гибкость для безопасной эксплуатации вблизи человека и предоставлять обратную связь пользователям. Перечислены важные моменты при моделировании внешнего вида таких систем, такие как функциональные характеристики, удобство ношения и эргономика. Перечислены различные портативные мягкие роботы в различных областях применения, материалы и методы для их изготовления. Обзор в статье завершается приведением перспектив развития в области мягкой портативной робототехнике.Появление мягких роботов в робототехнике за счет внедрения новых подходов к построению и использованию гибких материалов для их изготовления открывает новый горизонт для развития науки. Тем не менее существует несколько фундаментальных проблем, препятствующих значительному развитию моделирования и производства мягких роботов.
Во-первых, несмотря на усилия по внедрению мягких механизмов в робототехнику и обобщение полученных опытов в новой сфере, связанных с производством, моделированием и управлением мягкими роботами, знаний о процессах в мягкой робототехнике мало, и эта новая отрасль находится в начальной стадии. Междисциплинарный характер мягкой робототехники затрудняет поиск экспертов в различных научных областях, что ограничивает возможности моделирования, так как необходимо одновременно разбираться в материаловедение, теории управления, машинном обучении и изготовлении на производстве. Эта проблема требует образовательных инициатив, направленных на синтез и выделении связей между различными подобластями и научными дисциплинами. Кроме того, существует потребность в общем подходе между этими дисциплинами, чтобы позволить ученым с разных областей работать над этой общей задачей
.Во-вторых, ограниченность инструментов для моделирования и анализа. Неоднородные и сложные свойства материалов для изготовления роботов, позволяют смоделировать далеко не все среды моделирования и тем более не все они обладают той же точностью, которые есть для традиционных робототехнических систем.
В-третьих, отсутствие готовых решений в виде запчастей или модульных готовых компонентов. Существует мало готовых решений, которые бы подходили из уже работающих традиционных робототехнических систем, для управления и приведения в движение мягких роботов. Это приводит к относительно медленным темпам создания и совершенствования мягкой робототехники.
Проектирование мягкого робота требует холистического подхода, интегрирующего принципы различных научных дисциплин. Первым требованием является глубокое понимание науки о материалах для выбора и оптимизации материалов с подходящими механическими свойствами, обеспечивая гибкость и адаптивность в различных условиях окружающей среды. Знание биомеханики крайне важно для имитации естественных движений и улучшения взаимодействия мягкого робота с окружающим миром. Кроме того, необходимо владение теорией управления для разработки сложных алгоритмов управления, учитывающих врожденную нелинейность и гибкость мягких структур.
Применение передовых технологий производства, таких как 3D-печать и мягкая литография, необходимо для создания сложных структур мягкого робота с высокой точностью. Интеграция датчиков и микросхем вместе с источниками питания требует знаний в области электроники для обеспечения функционирования. Кроме того, обширное понимание технологий применения искусственного интеллекта и машинного обучения дает возможность применения мягкого робота для обучения и адаптации к динамическим условиям окружающей среды. Для создания мягких роботов необходим синтез междисциплинарного взаимодействия, единого подхода для ученых по моделированию и систематического обучения на основе технологий искусственного интеллекта.
Особое внимание следует уделить в проводимом исследовании значимости гидрогелевых материалов для изготовления элементов мягких роботов. Эти элементы предназначены для осуществления механического движения за счет реагирования на внешние воздействия. Традиционные методы приведения в движение роботов, такие как ручное управление и другие, имеют ограничения при обеспечении сложных автономных движений, и поэтому необходим новый подход к этой проблеме, который представляет собой интеграцию автономно работающего ручного управления с программируемыми сроками работы на основе гидрогелевых элементов системы робота и сенсорах, позволяющую реализовать автономное движение вперед и назад, а также выполнение более сложных задач, таких как сборка пазлов и захват объектов. Все операции инициируются одним простым триггером, и устройства работают в режиме «взял и забыл», подчеркивая простоту и эффективность данной технологии. Более того, введение механизмов обратной связи повышает эффективность работы системы. Этот метод обладает значительным потенциалом для автономной работы мягких захватов, представляя простой, но эффективный подход к расширению возможностей мягких робототехнических систем
.В области мягкой робототехники разработка эффективных систем управления является ключевым моментом для освоения уникальных возможностей этих гибких и управляемых машин. Системы управления для мягких роботов включают в себя сложные решения, охватывающие внутренние циклы, механизмы обратной связи и различные методы для обеспечения оптимальной производительности. Далее перечислены фундаментальные составляющие систем управления и их классификация для мягких роботов, которыми являются жизненные циклы, виды обратной связи и разнообразные методы управления
, .Жизненные циклы в системах управления:
Управление деформацией (мягкие роботы используют деформацию для движения, такие циклы разрабатываются для регулирования деформаций мягкого материала, обеспечивая точное и управляемое движение);
Интеграция сенсоров (при управлении мягкими роботами используются различные сенсоры, дающие обратную связь в реальном времени о состоянии робота, позволяя непрерывно корректировать его в соответствии с условиями окружающей среды).
Механизмы обратной связи:
Сенсорная обратная связь (мягкие роботы используют сенсоры, такие как датчики давления или изменения наклона, встроенные в материал, для предоставления обратной связи о своем состоянии и взаимодействии с окружающей средой);
Система управления с замкнутым циклом (механизмы обратной связи обеспечивают управление с замкнутым циклом, позволяя роботу адаптироваться к изменениям в окружающей среде или в собственной структуре, что повышает устойчивость и адаптируемость).
Методы управления:
Управление на основе модели (некоторые системы управления опираются на математические модели поведения мягкого робота, это облегчают прогнозирование управления, обеспечивая точное управление движениями робота);
Управление на основе обучения (технологии машинного обучения, включая нейронные сети, используются для того, чтобы мягкие роботы могли адаптироваться и учиться на основе их взаимодействия, повышая производительность);
Управление гибкостью (система управления робота реагирует на деформацию под воздействием внешних сил, что повышает безопасность и взаимодействие с окружающей средой);
Гибридное управление (синтез различных методов управления, используются преимущества каждого метода).
Общими трудностями при внедрении и развитии мягких роботов является:
нелинейная динамика, заключающаяся в проявлении нелинейного поведения и учете сложностей в деформации и движении;
временные задержки, снижающие время реакции на изменение обстановки;
интеграция множества несовместимых элементов при конструировании мягких роботов.
Новые тенденции в развитии мягкой робототехники:
мягкие вычисления на основе нечеткой логики, генетических алгоритмов для учета неопределенностей и оптимизации стратегий управления в мягкой робототехнике;
будущие перспективы мягких роботов обширны и обещают трансформационные достижения в различных областях науки. Перспективы применения, а также примеры реализации мягких роботов перечислены ниже
, , :1. Медицина.
Перспективы: Мягкие роботы могут улучшить качество хирургического вмешательства и проведения различных специальных медицинских процедур.
Рекомендации: Разработка мягких хирургических роботов, способных перемещаться по полости тела пациента с высокой точностью, повышая возможности хирургов.
Пример: Мягкие катетеры для хирургических вмешательств с улучшенной гибкостью и сниженным риском повреждения.
2. Реабилитация и вспомогательные устройства.
Перспективы: Мягкие роботы могут стать ключевыми в создании персонализированных и адаптивных устройств для реабилитации.
Рекомендации: Создание мягких экзоскелетов с естественными движениями для помощи людям с нарушениями двигательного аппарата.
Пример: Мягкие роботизированные экзокостюмы, обеспечивающие поддержку и помощь при ходьбе, адаптированные к походке пользователя.
3. Взаимосвязь человека и робота.
Перспективы: Мягкие роботы могут обеспечить безопасное и естественное взаимодействие с людьми в условиях совместной работы.
Рекомендации: Разработка мягких робототехнических систем с продвинутыми сенсорными возможностями для обнаружения и реагирования на движения человека.
Пример: Мягкие роботизированные протезы, адаптирующиеся к движениям пользователя, обеспечивающие более плавную интеграцию с человеческим телом.
4. Поиск и спасение.
Перспективы: Мягкие роботы могут передвигаться в сложных и опасных условиях во время операций по поиску и спасению.
Рекомендации: Улучшение реакции материала на деформацию в целях эффективного передвижения на непроходимых территориях, такие как завалы или зоны бедствия.
Пример: Мягкие роботы змеи (черви), способные маневрировать в ограниченном пространстве для поиска людей.
5. Исследования в экстремальных условиях.
Перспективы: Мягкие роботы могут применяться для исследований в условиях, не подходящих для традиционных роботов.
Рекомендации: Разработка мягких робототехнических систем, устойчивых к экстремальным температурам, давлению и сложным условиям.
Пример: Мягкие роботы для проведения космических исследований, способных адаптироваться к неровной местности удаленных космических тел.
6. Сельское хозяйство.
Перспективы: Мягкие роботы могут повысить эффективность и снизить воздействие на окружающую среду в сельском хозяйстве.
Рекомендации: Создание мягких захватов для бережной обработки фруктов и овощей без их повреждения.
Пример: Мягкие роботизированные системы для прополки, способные маневрировать между растениями и удалять сорняки.
7. Носимые робототехнические устройства.
Перспективы: Мягкие переносные роботы могут улучшить жизнь человека и помогать в различных повседневных задачах.
Рекомендации: Разработка мягких роботизированных экзоскелетов, обеспечивающих поддержку и повышение выносливости при физически нагрузках.
Пример: Мягкие роботизированные перчатки для лиц с нарушениями движения рук, обеспечивающие поддержку при схватывании и манипулировании объектами.
8. Мониторинг окружающей среды.
Перспективы: Мягкие роботы могут сыграть ключевую роль в мониторинге и сохранении окружающей среды.
Рекомендации: Разработка мягких роботов для подводного исследования с целью изучения морских экосистем.
Пример: Мягкие роботы рыбы для подводного мониторинга, сбора данных о состоянии океана.
9. Образование и наука.
Перспективы: Мягкие роботы могут использоваться образовательными платформами для научных исследований.
Рекомендации: Создание модульных наборов для обучения мягкой робототехнике, способствующих практическому обучению.
Пример: Мягкие роботизированные платформы для изучения биомеханики в лабораториях.
10. Строительство и обслуживание инфраструктуры.
Перспективы: Мягкие роботы могут способствовать безопасному и более гибкому строительству.
Рекомендации: Разработка мягких робототехнических систем для проведения контроля и обслуживания инфраструктуры, что уменьшает долю человеческого вмешательства.
Пример: Мягкие роботы дроны для проведения различного рода инспекций, а также при проведении ремонта конструкций, таких как мосты и трубопроводы.
3. Заключение
Применение мягких роботов позволит решить сложные задачи в различных областях в будущем, для этого необходимо объединить усилия исследователей, инженеров и практиков. Исследование систем управления и моделей применения мягких роботов позволит раскрыть их возможности, за счет синтеза технологических инноваций и прикладных задач в реальном мире. Изучение взаимосвязей материаловедения, теории управления и междисциплинарного взаимодействия позволит решить проблемы при создании мягких роботов. Приведенные проблемы, начиная от необходимости масштабируемых образовательных инициатив до ограниченности инструментов моделирования для мягких роботов, подчеркивают эволюционный характер этой области и необходимость постоянных исследований и разработок в этой области. Потенциал применения мягких роботов огромен, особенно в области медицины и биологии, а также в исследовательских задачах в космосе и подводой. Данная статья служит стартовой площадкой для раскрытия полного потенциала мягкой робототехники и вдохновляет на дальнейшие исследования ученых в этой трансформационной области.