Sigurnost na Prvom Mjestu: Novi Kontrolni Sistem Učini Mehke Robote…

Predstavljajte si kontinuumski mehki robotički rukav koji se savija oko grozda grožđa ili brokule, prilagođavajući svoj hvat u stvarnom vremenu dok podiže predmet. U suprotnosti s tradicionalnim čvrstim robotima koji obično nastoje izbjeći kontakt s okolinom i držati se daleko od ljudi iz sigurnosnih razloga, ovaj rukav osjeća blage sile, prigušuje se i savija se na načine koji podsjećaju na pokretljivost ljudske ruke. Svaki njegov pokret je izračunat tako da izbjegne prevelike sile dok učinkovito izvrši zadatak.

U laboratorijima MIT-a za računarstvo i umjetnu inteligenciju (CSAIL) i za informacijske i odluke (LIDS), ovi se čini jednostavni pokreti sastoje od složenih matematičkih formula, pažljivog inženjerstva i vizije za robote koji će se sigurno miješati s ljudima i osjetljivim predmetima.

Mehki roboti, s svojim deformabilnim tijelima, obećavaju budućnost u kojoj će strojevi tečnije kretati uz ljude, pomoći u brigu o starima ili rukovati osjetljivim predmetima u industriji. No upravo ta pokretljivost čini ih teškim za kontrolirati. Mali savijanja ili krivljenja mogu proizvesti nepredvidive sile, povećavajući rizik od oštećenja ili povreda. To potiče potrebu za sigurnim kontrolnim strategijama za mehke robote.

“Uspjehima u sigurnoj kontroli i formalnim metodama za čvrste robote, želimo prilagoditi te ideje mehkoj robotici – modeliranju njihovog složenog ponašanja i prihvaćanju, a ne izbjegavanju kontakta – kako bismo omogućili dizajne većeg performansa (npr. veći teret i preciznost) bez žrtvovanja sigurnosti ili ugrađenog uma,” kaže voditelj senior autora i MIT-ov pomoćni profesor Gioele Zardini, koji je glavni istraživač u LIDS-u i Odjelu za građevinski i okolišni inženjering, te pridruženi nastavnik Instituta za podatke, sustave i društvo (IDSS). “Ova vizija dijeli je nedavno i paralelno rad drugih skupina.”

Sigurnost na Prvom Mjestu

Tim je razvio novi okvir koji spaja nelinearnu teoriju kontrole (kontroliranje sustava koji uključuju vrlo složene dinamike) s naprednim tehnikama fizičkog modeliranja i učinkovitim optimizacijama u stvarnom vremenu kako bi proizveli ono što nazivaju “sigurnim kontaktom”. U srcu pristupa su visoko redni kontrolni barijerni funkciji (HOCBFs) i visoko redni kontrolni Lyapunovovi funkciji (HOCLFs). HOCBFs definiraju sigurne granice rada, osiguravajući da robot ne izvrši nesigurne sile. HOCLFs vodite robota učinkovito prema svojim zadacima, balansirajući sigurnost i performanse.

“U suštini, učimo robota da poznaje svoje granice prilikom interakcije s okolinom dok ipak postiže svoje ciljeve,” kaže MIT-ov student doktorskih studija na Odjelu za mehanički inženjering Kiwan Wong, voditelj autora novog članka koji opisuje okvir. “Pristup uključuje nešto složenu derivaciju mehkih robota, modela kontakta i kontrolnih ograničenja, ali specificiranje kontrolnih ciljeva i sigurnih barijera je za praktičara dosta jednostavno, a ishod je vrlo očitan, jer vidite robota koji se glatko kreće, reagira na kontakt i nikada ne uzrokuje nesigurnu situaciju.”

“Usporedno s tradicionalnim kinematičkim CBF-ovima – gdje se teško specificiraju unaprijed invarijantni sigurni skupovi – HOCBF okvir pojednostavljuje dizajn barijera, a njegova optimizacijska formulacija računa sustavsku dinamiku (npr. inerciju), osiguravajući da mehki robot zaustavi dovoljno rano kako bi izbjegao nesigurne kontaktne sile,” kaže Worcester Polytechnic Institute-ov pomoćni profesor i bivši postdoktorand CSAIL-a Wei Xiao.

“Od kada su se pojavili mehki roboti, polje je istaknulo njihovu ugrađenu inteligenciju i veću prirodnu sigurnost u odnosu na čvrste robote, zahvaljujući pasivnom materijalu i strukturalnoj pokretljivosti. Ali njihova ‘kognitivna’ inteligencija – posebno sigurnosni sustavi – zadržala se iza one čvrstih serijskih manipulatora,” kaže suvoditelj autor Maximilian Stölzle, istraživački internist u Disney Researchu i bivši PhD student na Delft University of Technology, te gostujući istraživač na MIT LIDS i CSAIL. “Ovaj rad pomaže zatvoriti tu razliku prilagođavanjem dokazanih algoritama mehkim robotima i prilagođavanjem ih za siguran kontakt i mehki kontinuum.”

Tim LIDS i CSAIL testirao je sustav na seriji eksperimenata dizajniranih da izazovu sigurnost i prilagodljivost robota. U jednom testu, rukav je lagodno pritisnuo na komplijentnu površinu, održavajući preciznu silu bez prelaska. U drugom, pratio je konture zakrivljenog predmeta, prilagođavajući svoj hvat kako bi izbjegao klizanje. U još jednom demonstracijskom primjeru, robot je rukovao osjetljivim predmetima uz ljudskog operatera, reagirajući u stvarnom vremenu na neočekivane potisake ili pomake. “Ovi eksperimenti pokazuju da naš okvir može generalizirati na raznovrsne zadatke i ciljeve, a robot može osjećati, prilagođavati se i djelovati u složenim scenarijima dok se sigurno kreće.”

Primjene i Budućnost

Ovaj novi kontrolni sistem ima širok spektar primjena. Mehki roboti opremljeni ovim okvirom mogu se koristiti u različitim industrijskim okruženjima, od manipulatora osjetljivih predmeta do robota koji rade uz ljude. Oni mogu biti korisni u medicinskoj nezi, pružajući pomoć u brzi i sigurnoj manipulaciji osjetljivih pacijenata. Također, mogu se koristiti u poljoprivredi za sigurnu i učinkovitu manipulaciju voćem i povrćem.

Budućnost mehke robotike je vrlo očekivana. S ovim napredkom u kontroli, mehki roboti mogu postati standardna oprema u mnogim industrijama, poboljšavajući sigurnost, učinkovitost i pokretljivost u raznim radnim okruženjima.

Zaključak

Novi kontrolni sistem za mehke robote predstavlja značajan korak naprijed u polju umjetne inteligencije. Ovaj sistem omogućuje mehkim robotima da se sigurno i učinkovito kreću, interagirajući s ljudima i osjetljivim predmetima. Svoju primjenu će naći u raznim industrijama, poboljšavajući sigurnost i učinkovitost u raznim radnim okruženjima. Budućnost mehke robotike je vrlo očekivana, s ovim napretkom u kontroli, mehki roboti mogu postati standardna oprema u mnogim industrijama.

Česta Pitanja

Kako novi kontrolni sistem radi s mehkim robotima?

Novi kontrolni sistem koristi visoko redne kontrolne barijerne funkcije (HOCBFs) i visoko redne kontrolne Lyapunovove funkcije (HOCLFs) kako bi definirao sigurne granice rada i vodio robota učinkovito prema svojim zadacima, balansirajući sigurnost i performanse.

Koliko je siguran ovaj novi kontrolni sistem?

Ovaj sistem je testiran na seriji eksperimenata koji su pokazali da je robot siguran i prilagodljiv, reagirajući u stvarnom vremenu na neočekivane potisake ili pomake. Robot nikada ne uzrokuje nesigurnu situaciju.

Koja su glavna prednost ovog sistema u odnosu na tradicionalne robote?

Glavna prednost ovog sistema je u tome što mehki roboti mogu sigurno i učinkovito interagirati s ljudima i osjetljivim predmetima, što je teško postići s tradicionalnim čvrstim robotima.

Kako se ovaj sistem može primijeniti u stvarnom svijetu?

Ovaj sistem može se primijeniti u raznim industrijama, od manipulatora osjetljivih predmeta do robota koji rade uz ljude. Također, može se koristiti u medicinskoj nezi, poljoprivredi i drugim područjima gdje je sigurnost i učinkovitost ključni.

Koji su budući razvojni pravci za mehku robotiku?

Budući razvojni pravci uključuju poboljšanje algoritama za kontrolu, razvoj novih materijala za mehke robote i integraciju mehkih robota u različite industrijske i medicinske aplikacije.