Ein pflanzeninspirierter Controller, der die Bedienung von Roboterarmen in realen Umgebungen erleichtern könnte.

5. Juni 2023 Merkmal

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Viele existierende Robotik-Systeme ziehen Inspiration aus der Natur, indem sie biologische Prozesse, natürliche Strukturen oder Tierverhalten künstlich reproduzieren, um bestimmte Ziele zu erreichen. Das liegt daran, dass Tiere und Pflanzen angeborene Fähigkeiten besitzen, die ihnen helfen, in ihren jeweiligen Umgebungen zu überleben, und die daher auch die Leistung von Robotern außerhalb von Laborumgebungen verbessern könnten.

Forscher des Brain-Inspired Robotics (BRAIR) Labors des BioRobotics Institute der Sant'Anna School of Advanced Study in Italien und der National University of Singapore entwickelten kürzlich einen Pflanzen-inspirierten Controller, der die Leistung von Roboterarmen in unstrukturierten, realen Umgebungen verbessern könnte. Dieser Controller wurde in einem auf der Konferenz IEEE RoboSoft 2023 in Singapur vorgestellten Artikel beschrieben und als einer der Finalisten für den besten Studentenartikel ausgewählt. Der Controller ermöglicht es speziell Roboterarmen, Aufgaben auszuführen, bei denen bestimmte Orte oder Objekte in ihrer Umgebung erreicht werden müssen.

"Weiche Roboterarme sind eine neue Generation von Roboter-Manipulatoren, die sich von den fortschrittlichen Manipulationsfähigkeiten ‚knochenloser‘ Organismen wie Oktopus-Tentakeln, Elefantenrüsseln, Pflanzen usw. inspirieren lassen“, sagte Enrico Donato, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore. „Die Übertragung dieser Prinzipien in technische Lösungen führt zu Systemen, die aus flexiblen, leichten Materialien bestehen, die eine geschmeidige elastische Verformung durchlaufen können, um nachgiebige und geschickte Bewegungen zu erzeugen. Aufgrund dieser wünschenswerten Eigenschaften passen sich diese Systeme an Oberflächen an und zeigen eine physische Robustheit sowie eine menschensichere Betriebssicherheit bei potenziell niedrigen Kosten."

Weiche Roboterarme können auf eine Vielzahl realer Probleme angewendet werden und könnten besonders nützlich sein, um Aufgaben zu automatisieren, bei denen gewünschte Standorte für starre Roboter möglicherweise nicht erreichbar sind. Viele Forscherteams versuchen derzeit, Controller zu entwickeln, um diese flexiblen Arme effektiv mit diesen Aufgaben zu betrauen.

"In der Regel beruht die Funktionsweise solcher Controller auf Berechnungsformeln, die eine gültige Abbildung zwischen zwei Betriebsräumen des Roboters erzeugen können, d. h. zwischen Aufgabenraum und Aktor-Raum", erklärte Donato. "Die ordnungsgemäße Funktionsweise dieser Controller beruht jedoch im Allgemeinen auf der Rückmeldung von Visionen, was ihre Gültigkeit auf Laborumgebungen beschränkt und die Einsetzbarkeit dieser Systeme in natürlichen und dynamischen Umgebungen einschränkt. Dieser Artikel ist der erste Versuch, diese unadressierte Einschränkung zu überwinden und die Reichweite dieser Systeme auf unstrukturierte Umgebungen auszudehnen."

Da die meisten vorhandenen Controller für weiche Roboterarme hauptsächlich für Laborumgebungen geeignet waren, setzten Donato und seine Kollegen sich zum Ziel, einen neuen Controller-Typ zu entwickeln, der auch in realen Umgebungen anwendbar ist. Der vorgeschlagene Controller basiert auf Bewegungen und Verhaltensweisen von Pflanzen.

"Im Gegensatz zu der gängigen Annahme, dass Pflanzen sich nicht bewegen, bewegen sich Pflanzen aktiv und gezielt von einem Punkt zum anderen, indem sie Bewegungsstrategien auf der Grundlage des Wachstums verwenden", sagte Donato. "Diese Strategien sind so effektiv, dass Pflanzen fast alle Habitate auf dem Planeten kolonisieren können, eine Fähigkeit, die im Tierreich fehlt. Interessanterweise stammen Pflanzen-Bewegungsstrategien im Gegensatz zu Tieren nicht aus einem zentralen Nervensystem, sondern beruhen auf sophisticated forms of decentralized computing mechanisms."

Die der Funktionsweise des Controllers zugrunde liegende Steuerungsstrategie versucht, die sophisticated dezentralisierten Mechanismen, die den Bewegungen von Pflanzen zugrunde liegen, zu replizieren. Das Team nutzte speziell verhaltensbasierte künstliche Intelligenz-Tools, die aus in einem Bottom-up-Aufbau kombinierten dezentralisierten Rechenagenten bestehen.

"Die Neuheit unseres bio-inspirierten Controllers liegt in seiner Einfachheit, bei der wir die grundlegenden mechanischen Funktionalitäten des weichen Roboterarms nutzen, um das gesamte Reichungsverhalten zu erzeugen", sagte Donato. "Der weiche Roboterarm besteht speziell aus einer redundanten Anordnung von weichen Modulen, die jeweils durch eine Triade von radial angeordneten Aktuatoren aktiviert werden. Es ist bekannt, dass das System für eine solche Konfiguration sechs Prinzipien-Biegerichtungen erzeugen kann."

The computing agents underpinning the functioning of the team's controller exploit the amplitude and timing the actuator configuration to reproduce two different type of plant movements, known as circumnutation and phototropism. Circumnutations are oscillations commonly observed in plants, while phototropism are directional movements that bring a plant's branches or leaves closer to the light.

The controller created by Donato and his colleagues can switch between these two behaviors, achieving the sequential control of robotic arms spanning across two stages. The first of these stages is an exploration phase, where the arms explore their surroundings, while the second is a reaching phase, where they move to reach a desired location or object.

'Perhaps the most important take-away from this particular work is that this is the first time redundant soft robot arms have been enabled reaching capabilities outside of the laboratory environment, with a very simple control framework,' Donato said. 'Furthermore, the controller is applicable to any soft robot arm provided a similar actuation arrangement. This is a step towards the use of embedded sensing and distributed control strategies in continuum and soft robots.'

So far, the researchers tested their controller in a series of tests, using a modular cable-driven, lightweight and soft robotic arm with 9 degrees of freedom (9-DoF). Their results were highly promising, as the controller allowed the arm to both explore its surroundings and reach a target location more effectively than other control strategies proposed in the past.

In the future, the new controller could be applied to other soft robotic arms and tested in both laboratory and real-world settings, to further assess its ability to deal with dynamic environmental changes. Meanwhile, Donato and his colleagues plan to develop their control strategy further, so that it can produce additional robotic arm movements and behaviors.

'We are currently looking to enhance the capabilities of the controller to enable more complex behaviors such as target tracking, whole-arm twining, etc., to enable such systems to function in natural environments for long periods of time,' Donato added.

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