Innovatief vorm- en contactdetectiesysteem verbetert veiligheid van continuumrobots

Japan Advanced Institute of Science and Technology, Ishikawa, Japan

Wanneer een mens de robot aanraait, verandert de robot zijn beweging om botsing te vermijden. (Afbeelding: Van Anh Ho van JAIST)

Natuur als inspiratie voor flexibele robots

In de natuur tonen veel organismen zoals octopussen met hun flexibele tentakels of olifanten met hun snuiten een opmerkelijke behendigheid. Geïnspireerd op deze natuurlijke structuren, streven onderzoekers naar de ontwikkeling van uiterst flexibele continuumrobots die robuustheid en veiligheid bieden. Ideaal bezit een continuumrobot veel vrijheidsgraden (DOF's) en gewichten, meer dan nodig voor de meeste taken. Deze kenmerken stellen ze in staat hun vorm dynamisch aan te passen en te wijzigen, zodat ze obstakels en onverwachte situaties kunnen vermijden. Hun complexe bewegingen maken het echter moeilijk hun vorm en beweging te karakteriseren.

Uitdagingen bij traditionele benaderingen

Traditionele analytische technieken om oplossingen te vinden voor kinematische en dynamische problemen van continuumrobots berusten op complexe modellering, wat de berekeningskost verhoogt. Als alternatief kunnen flexibele sensoren ingebouwd in continuumrobots worden gebruikt om hun vorm en beweging te volgen, maar deze methode vereist veel lage-resolutiesensoren, wat het systeem onhandig maakt. Een veelbelovendere oplossing is het gebruik van een enkele sensormodule aan het einde van een continuumrobot. Eerdere studies in deze richting richtten zich echter voornamelijk op de houding van de robot en gingen niet in op contactdetectie.

Het ConTac-systeem

Om deze kloof te overbruggen, ontwikkelde een team onderzoekers uit Japan, geleid van associate professor Van Anh Ho van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), een nieuw systeem genaamd ConTac. Dit systeem kan de vorm en contact van een robotarm met zachte huid schatten.

Volgens dr. Ho: „Het uiteindelijke doel van dit systeem is implementatie in een continuumrobot, maar in deze studie richtten we ons op perceptie met een gegelenkte robotarm en zachte huid voor verificatie.” Het team bestond uit doctoraalstudenten Tuan Tai Nguyen en Quan Khanh Luu van JAIST, alsook dr. Dinh Quang Nguyen van VNU-UET universiteit in Hanoi.

Systeemarchitectuur en werking

Het ConTac-systeem bestaat uit een ruggengraat die de buiging van een continuumrobot nabootst, zachte huid met markers, een camera om huiddeformatie te observeren, modellen voor vorm- en contactsensing van de huid, en een contact-bewust regimeregeling. Dit systeem kan op elke ConTac-eenheid of elke andere robot met hetzelfde mechanisme en vorm worden toegepast zonder kalibratie.

Een ConTac-eenheid is een samengestelde continuum-genaamde robotarm met een ruggengraat en zachte huid. De onderzoekers ontwikkelden ook een admittantie-gebaseerde controller voor dit systeem die perceptuele informatie gebruikt om de bewegingen van de robotarm te sturen. Bovendien is de ConTac-eenheid kosteneffectief en kan worden vervaardigd uit conventionele materialen.

Diep-leren voor vormreconstructie en contactdetectie

Dit innovatieve systeem gebruikt twee diep-lerenmodellen voor vormreconstructie en contactdetectie van de zachte-continuumhuid. Deze modellen zijn volledig getraind met simulatiebeelden en vervolgens direct aangepast aan echte robots zonder fine-tuning, wat tijd en middelen bespaart. De overdraagbaarheid van het systeem werd getest op twee verschillende ConTac-eenheden, die vergelijkbaar presteerden zonder aanvullende aanpassingen.

Toepassingen en toekomstperspectief

De betekenis van deze studie benadrukkend, zei dr. Ho: „Het ConTac-systeem is bedoeld voor gebruik in diverse robotische systemen zonder de noodzaak voor complexe aanpassingen. Flexibele robotarmen uitgerust met ons systeem zijn ideaal voor slimme landbouw en gezondheidszorgdiensten waar robots omgevingen met veel obstakels moeten navigeren en veilig met mensen moeten interageren. Hun zachtheid en flexibiliteit gecombineerd met de mogelijkheid om de omgeving te waarnemen maken ze perfect voor interactie met planten en patiënten.”

De sensing- en regeltechnieken in dit framework kunnen leiden tot nieuwe tactiele sensoren die aan elk bestaand robotica-systeem kunnen worden bevestigd, wat nieuwe sensing- en regelsparadigma's biedt voor veilige mens-robotinteractie zonder het oorspronkelijke ontwerp van de robot te wijzigen. „Stel je een samenleving voor waar elke robot en machine over een tastzin beschikt. Deze transformatie zou industrieën en het dagelijks leven revolutioneren,” zei dr. Ho.

Voor meer informatie, neem contact op met Van Anh Ho via dit e-mailadres (beveiligd tegen spambots, JavaScript vereist); +81 761-51-1584.