Hispanopedia WikiEl término «robots blandos» designa una amplia clase de sistemas robóticos cuya arquitectura incluye elementos flexibles, con una elasticidad mucho mayor que la de los robots rígidos tradicionales. Los robots blandos articulados son robots con partes tanto flexibles como rígidas, inspirados en el sistema musculoesquelético de los animales vertebrados, desde reptiles y aves hasta mamíferos y humanos. La flexibilidad se concentra típicamente en los actuadores, la transmisión y las articulaciones (que corresponden a músculos, tendones y articulaciones), mientras que la estabilidad estructural la proporcionan enlaces rígidos o semirrígidos (que corresponden a los huesos de los vertebrados).
El otro subgrupo dentro de la amplia familia de robots blandos incluye los robots blandos continuos , es decir, robots cuyo cuerpo es un continuo deformable, incluyendo sus elementos estructurales, de actuación y de detección, y que se inspiran en animales invertebrados como pulpos o babosas, o en partes de animales, como la trompa de un elefante.
Los robots blandos suelen diseñarse 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 musculoesquelético de los vertebrados, cuya flexibilidad permite a humanos y animales realizar de forma eficaz y segura una gran variedad de tareas, desde caminar sobre terrenos irregulares, correr y trepar, hasta agarrar y manipular. Esto también los hace resistentes a eventos dinámicos e inesperados, como los impactos con el entorno. La interacción de las propiedades físicas de los vertebrados con el control sensoriomotor neuronal hace que el movimiento sea muy eficiente energéticamente, seguro y eficaz.
Los robots capaces de coexistir y cooperar con las personas, e incluso alcanzar o superar su rendimiento, requieren una tecnología de actuadores , responsables del movimiento y control del robot, que pueda alcanzar el rendimiento funcional del músculo biológico y su control neuromecánico.
La clase de actuadores más prometedora para robots blandos es la de actuadores de impedancia variable (VIA) y la subclase de actuadores de rigidez variable (VSA), dispositivos mecatrónicos complejos desarrollados para construir robots pasivos, flexibles, robustos y diestros. [ 1 ] 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 la actuación proviene directamente de los sistemas musculoesqueléticos naturales, que a menudo presentan esta característica. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
Una clase de actuadores de rigidez variable logra el control simultáneo del robot mediante el uso de dos motores antagónicos para manipular un resorte no lineal que actúa como una transmisión elástica entre cada uno de los motores y la parte móvil, de modo que se controlan tanto el punto de equilibrio del robot como su rigidez o flexibilidad. [ 5 ] [ 6 ]
Este modelo de control es muy similar en filosofía a la hipótesis del punto de equilibrio del control motor humano . Esta similitud convierte a la robótica blanda en un campo de investigación interesante, capaz de intercambiar ideas y perspectivas con la comunidad investigadora en neurociencia motora. [ 7 ]
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 , resistencia y eficiencia energética .
Seguridad en la interacción física entre humanos y robots
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 los humanos en aplicaciones como manipulación industrial asistida, ensamblaje colaborativo, trabajo doméstico, entretenimiento, rehabilitación o aplicaciones médicas. Claramente, estos robots deben cumplir requisitos diferentes a los que se suelen cumplir en las aplicaciones industriales convencionales: si bien puede ser posible flexibilizar los requisitos de velocidad de ejecución y precisión absoluta, aspectos como la seguridad y la fiabilidad adquieren gran importancia cuando los robots tienen que interactuar con humanos. [ 8 ]
La seguridad puede incrementarse de diversas maneras. Los métodos clásicos incluyen el control y la sensorización, por ejemplo, pieles sensibles a la proximidad, o la adición de elementos blandos externos (cubiertas suaves y flexibles o airbags colocados alrededor del brazo para aumentar las propiedades de absorción de energía de las capas protectoras).
La detección y el control avanzados pueden lograr un comportamiento “suave” a través del software. [ 9 ] La robótica blanda articulada logra un enfoque diferente para aumentar el nivel de seguridad de los robots que interactúan con los humanos al introducir la flexibilidad mecánica y la amortiguación directamente en el nivel de diseño mecánico., [ 10 ] [ 11 ]
“Con este enfoque, los investigadores tienden a reemplazar el cálculo de un comportamiento basado en sensores y su realización propensa a errores mediante el control de actuadores activos, por su encarnación física directa, como en el ejemplo natural. Tener flexibilidad y amortiguación en la estructura del robot no es suficiente para garantizar su seguridad, ya que podría incluso ser contraproducente para la energía elástica potencialmente almacenada: al igual que un brazo humano, un brazo robótico blando necesitará un control inteligente para que se comporte con suavidad, como al acariciar a un bebé, o con fuerza, como al golpear” . [ 12 ]
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 resulta dañado debido a impactos o sobrecarga es bastante elevada.
La resistencia a los impactos 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 ámbito de aplicación de la tecnología robótica.
Las tecnologías de robótica blanda pueden proporcionar soluciones eficaces para absorber impactos y reducir aceleraciones: los materiales blandos pueden utilizarse como revestimientos o incluso como elementos estructurales en las extremidades de los robots, pero el principal desafío tecnológico sigue estando en los actuadores y transmisiones blandos. [ 13 ]
Rendimiento y eficiencia energética
El comportamiento dinámico de los actuadores con cumplimiento controlable garantiza un alto rendimiento, un movimiento realista y una mayor eficiencia energética que los robots rígidos. [ 14 ]
La dinámica natural del robot puede adaptarse al entorno, por lo que el comportamiento físico intrínseco del sistema resultante se aproxima al movimiento deseado. En estas circunstancias, los actuadores solo tendrían que inyectar y extraer energía del sistema para pequeñas acciones correctivas, reduciendo así el consumo energético. [ 15 ]
La idea de incorporar dinámicas deseables en las propiedades físicas de los robots blandos encuentra su aplicación natural en robots humanoides , que deben asemejarse a los movimientos de los humanos, o en sistemas robóticos realizados para usos protésicos, por ejemplo, manos artificiales antropomórficas . Un ejemplo relevante de uso se encuentra en robots que caminan/corren: [ 16 ] de hecho, el hecho de que los sistemas naturales cambien la compliancia de su sistema muscular dependiendo de la marcha y las condiciones ambientales, e incluso durante las diferentes fases de la marcha, parece indicar la utilidad potencial de los actuadores de impedancia variable (VIA) para la locomoción. [ 17 ] Una tendencia emergente de uso de tecnologías VIA está relacionada con el crecimiento de una nueva categoría de robots industriales conectados a la Industria 4.0 , los cobots .
La exploración del potencial completo de los robots blandos está dando lugar a cada vez 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 [ 18 ].
Proyectos e iniciativas europeas relacionadas
- SOMA (Manipulación Suave)
- SOFTPRO (Fundamentos y tecnologías de código abierto basados en sinergias para prótesis y rehabilitación)
- MANOS SUAVES
- Iniciativa de Movimiento Natural de Máquinas (NMMI)
- SAPHARI (Interacción 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)
- LA (La Mano Encarnada)
- PHRIENDS (Interacción física humano-robot, fiabilidad y seguridad)
- STIFF (Mejora de la agilidad biomórfica mediante rigidez variable)
Véase también
Referencias
- ^ Vanderborght, B.; Albu-Schaeffer, A.; Bicchi, A.; Burdet, E.; Caldwell, director general; Carloni, R.; Catalano, M.; Eiberger, O.; Friedl, W.; Ganesh, G.; Garabini, M.; Grebenstein, M.; Grioli, G.; Haddadin, S.; Hoppner, H. (1 de diciembre de 2013). "Actuadores de impedancia variable: una revisión" (PDF) . Robótica y Sistemas Autónomos . 61 (12): 1601–1614 . doi : 10.1016/j.robot.2013.06.009 . ISSN 0921-8890 .
- ↑ A. Albu Schaeffer, A. Bicchi: “Actuadores novedosos para robótica blanda”, Springer Handbook of Robotics, 2016.
- ↑ F. Angelini, C. Della Santina, M. Garabini, M. Bianchi, GM Gasparri, G. Grioli, MG Catalano y A. Bicchi, “ Control descentralizado de seguimiento de trayectoria para robots blandos que interactúan con el entorno ”, IEEE Transactions on Robotics (T-RO)
- ↑ S. Wolf, G. Hirzinger: Un nuevo diseño de rigidez variable: Cumplimiento de los requisitos de la próxima generación de robots, Actas de la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización (ICRA) (2008), págs. 1741–1746
- ↑ Wolf, 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, " Actuadores de rigidez variable: revisión del diseño y los componentes ", 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 en robótica, 2015
- ↑ C. Della Santina, Bianchi, M., Grioli, G., Angelini, F., Catalano, MG, Garabini, M., y Bicchi, A., “ Control de robots blandos: equilibrio entre elementos de retroalimentación y anticipación ”, IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 24, n.º 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, Actas de la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización (ICRA) (2001), págs. 3356–3363
- ↑ A. Bicchi y G. Tonietti, “Tácticas de brazo rápidas y suaves: Cómo abordar el compromiso entre seguridad y rendimiento en el diseño y control de brazos robóticos”, IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 11, n.° 2, junio de 2004
- ↑ S. Haddadin, S. Haddadin, A. Khoury, T. Rokahr, S. Parusel, R. Burgkart, A. Bicchi, A. Albu-Schaeffer: Sobre cómo lograr que los robots comprendan la seguridad: Incorporando el conocimiento de las lesiones en el control, Int. J. Robotics Res. 31, 1578–1602 (2012)
- ↑ Albu Schaeffer, A. Bicchi: “Actuadores novedosos para robótica blanda”, Springer Handbook of Robotics, 2016
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- ↑ S. Haddadin, MC Özparpucu, AA Schäffer: Control óptimo para maximizar la energía potencial en articulaciones de rigidez variable, Actas de la 51.ª Conferencia IEEE sobre Control de Decisiones (CDC), Maui (2012)
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- ↑ B. Vanderborght, B. Verrelst, R. Van Ham, M. Van Damme, D. Lefeber: Un bípedo neumático: Resultados experimentales de la marcha y experimentos de adaptación a la flexibilidad, Actas de la Conferencia Internacional sobre Robots Humanoides, Tsukuba (2006)
- ↑ LC Visser, S. Stramigioli, R. Carloni: Marcha bípeda robusta con rigidez variable de las piernas, Actas de la 4.ª Conferencia Internacional IEEE/RAS/EMBS sobre Biomedicina, Robótica y Biomecatrónica (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 las máquinas: una plataforma abierta para la creación rápida de prototipos de robots blandos articulados ”, IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 24, n.º 1, págs. 48-56, 2017
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