Un contrôleur inspiré des plantes qui pourrait faciliter l'opération de bras robotiques dans des environnements réels.

5 juin 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

De nombreux systèmes robotiques existants s'inspirent de la nature, reproduisant artificiellement des processus biologiques, des structures naturelles ou des comportements animaux pour atteindre des objectifs spécifiques. Les animaux et les plantes sont en effet équipés de capacités innées qui les aident à survivre dans leur environnement respectif, et qui pourraient également améliorer les performances des robots en dehors des milieux de laboratoire.

Des chercheurs du laboratoire de robotique inspirée par le cerveau (BRAIR) de l'Institut de birobotique de l'École Sant'Anna de recherche avancée en Italie et de l'université nationale de Singapour ont récemment mis au point un contrôleur inspiré des plantes qui pourrait améliorer les performances des bras robotiques dans des environnements réels et non structurés. Ce contrôleur, présenté dans un article présenté à la conférence IEEE RoboSoft 2023 à Singapour et sélectionné parmi les finalistes pour le meilleur article étudiant, permet spécifiquement aux bras robotiques de réaliser des tâches qui consistent à atteindre des emplacements ou des objets spécifiques dans leur environnement.

« Les bras de robots souples constituent une nouvelle génération de manipulateurs robotisés qui s'inspirent des capacités de manipulation avancées exhibées par les organismes « sans os », comme les tentacules de poulpe, les trompes d'éléphant, les plantes, etc., » a déclaré Enrico Donato, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Tech Xplore. « La traduction de ces principes en solutions d'ingénierie permet de concevoir des systèmes constitués de matériaux légers et flexibles capables de subir une déformation élastique lisse pour produire des mouvements conformes et habiles. Ces systèmes se conforment aux surfaces et présentent une robustesse physique ainsi qu'une opération conforme à la sécurité humaine à un coût potentiellement faible. »

Alors que les bras de robots souples pourraient être appliqués à un large éventail de problèmes du monde réel, ils pourraient être particulièrement utiles pour automatiser des tâches qui consistent à atteindre des emplacements souhaités qui pourraient être inaccessibles aux robots rigides. De nombreuses équipes de recherche ont récemment tenté de développer des contrôleurs qui permettraient à ces bras flexibles d'effectuer efficacement ces tâches.

« Le fonctionnement de ces contrôleurs repose généralement sur des formulations computationnelles qui peuvent créer une cartographie valide entre deux espaces opérationnels du robot, c'est-à-dire l'espace de tâche et l'espace de l'actionneur, » a expliqué Donato. « Cependant, le fonctionnement adéquat de ces contrôleurs repose généralement sur une rétroaction visuelle qui limite leur validité dans les environnements de laboratoire, restreignant le déploiement de ces systèmes dans les environnements naturels et dynamiques. Cet article est la première tentative de surmonter cette limitation non abordée et d'étendre la portée de ces systèmes aux environnements non structurés. »

Comme la plupart des contrôleurs existants pour les bras de robots souples ont été trouvés pour fonctionner principalement dans les environnements de laboratoire, Donato et ses collègues ont entrepris de créer un nouveau type de contrôleur qui pourrait également être applicable dans les environnements réels. Le contrôleur qu'ils ont proposé est inspiré des mouvements et des comportements des plantes.

« Contrairement à la croyance commune selon laquelle les plantes ne bougent pas, les plantes se déplacent activement et intentionnellement d'un point à un autre en utilisant des stratégies de mouvement basées sur la croissance, » a déclaré Donato. « Ces stratégies sont si efficaces que les plantes peuvent coloniser presque tous les habitats de la planète, une capacité absente dans le règne animal. Curieusement, contrairement aux animaux, les stratégies de mouvement des plantes ne découlent pas d'un système nerveux central, mais plutôt de mécanismes de calcul décentralisés sophistiqués. »

La stratégie de contrôle sous-tendant le fonctionnement du contrôleur des chercheurs tente de reproduire les mécanismes décentralisés sophistiqués qui sous-tendent les mouvements des plantes. L'équipe a spécifiquement utilisé des outils d'intelligence artificielle comportementale, qui consistent en des agents de calcul décentralisés combinés dans une structure ascendante.

« La nouveauté de notre contrôleur bio-inspiré réside dans sa simplicité, où nous exploitons les fonctionnalités mécaniques fondamentales du bras robotique souple pour générer le comportement général de l'atteinte, » a déclaré Donato. « Spécifiquement, le bras de robot souple comprend un arrangement redondant de modules souples, chacun étant activé par une triade d'actionneurs disposés radialement. Il est bien connu que pour une telle configuration, le système peut générer six directions de flexion principale. »

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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