Био-вдохновленная робототехника - Bio-inspired robotics

Два робота u-CAT, которые разрабатываются в Таллиннский технический университет снизить стоимость подводных археологических работ

Передвижение роботов, вдохновленное биологией - это довольно новая подкатегория био-дизайна. Речь идет об изучении концепций, полученных от природы, и применении их при проектировании реальных инженерных систем. В частности, эта область посвящена созданию роботов, вдохновленных биологический системы. Биомимикрия и био-вдохновленный дизайн иногда путают. Биомимикрия копирует у природы, в то время как био-вдохновленный дизайн учится у природы и создает механизм, который проще и эффективнее, чем система, наблюдаемая в природе. Биомимикрия привела к развитию другой отрасли робототехники, называемой мягкая робототехника. Биологические системы оптимизированы для решения конкретных задач в соответствии с их средой обитания. Однако они многофункциональны и не предназначены только для одной конкретной функции. Робототехника, вдохновленная биологией, занимается изучением биологических систем и поиском механизмов, которые могут решить проблему в области инженерии. Затем разработчик должен попытаться упростить и улучшить этот механизм для конкретной интересующей задачи. Био-вдохновленный робототехники обычно интересуются биосенсорами (например, глаз ), биоактуаторы (например, мышца ) или биоматериалы (например, паучий шелк ). У большинства роботов есть система передвижения. Таким образом, в этой статье различные режимы передвижение животных представлены несколько примеров соответствующих био-вдохновленных роботов.

Stickybot: робот в стиле гекконов

Биолокация

Биолокацию или передвижение животных обычно подразделяют на следующие категории:

Передвижение по поверхности

Передвижение по поверхности может включать: наземное движение и древесное движение. Мы специально обсудим наземное движение подробно в следующем разделе.

Таунсендская летучая мышь ушастая (Кориноринус Townsendii)

Передвижение в жидкости

Передвижение в кровотоке или среде для культивирования клеток плавание и летающий. Есть много плавание и летающий роботы, спроектированные и построенные робототехниками. В некоторых из них используются миниатюрные двигатели или обычные приводы MEMS (например, пьезоэлектрические, тепловые, магнитные и т. Д.),[1][2][3] в то время как другие используют мышечные клетки животных в качестве двигателей.[4][5][6]

Поведенческая классификация (наземное передвижение)

Многие животные и насекомые передвигаются по суше с ногами или без них. В этом разделе мы обсудим передвижение на ногах и без конечностей, а также лазание и прыжки. Закрепление ступней - основа передвижения на суше. Возможность увеличения тяги важна для движения без скольжения по таким поверхностям, как гладкие скалы и лед, и особенно важна при движении в гору. Существуют многочисленные биологические механизмы обеспечения покупки: когти полагаются на механизмы, основанные на трении; ноги геккона на силы стен ван дер; и ноги некоторых насекомых - из-за адгезионных сил, опосредованных жидкостью.[7]

Рекс: надежный шестигранный робот

Передвижение на ногах

У роботов на ногах может быть один,[8][9][10] два,[11] четыре,[12] шесть,[13][14][15] или много ног[16] в зависимости от приложения. Одно из главных преимуществ использования ног вместо колес - более эффективное перемещение по неровной поверхности. Двуногий, четвероногий, и гексапедальное передвижение являются одними из самых любимых видов передвижения на ногах в области био-вдохновленной робототехники. Рекс, надежный гексапедальный робот[13] и гепард[17] два самых быстрых робота на данный момент. iSprawl - еще один гексапедальный робот, вдохновленный таракан локомоция, разработанная в Стэнфордском университете.[14] Этот робот может двигаться со скоростью до 15 человек в секунду и развивать скорость до 2,3 м / с. Первоначальная версия этого робота имела пневматический привод, в то время как новое поколение использует единственный электродвигатель для передвижения.[15]

Безграничное передвижение

Рельеф, включающий топографию в различных масштабах длины, может быть сложной задачей для большинства организмов и биомиметических роботов. Такой ландшафт легко преодолевают безногие организмы, например змеи. Несколько животных и насекомых, включая черви, улитки, гусеницы, и змеи способны передвигаться без конечностей. Обзор змееподобных роботов представлен Hirose et al.[18] Этих роботов можно разделить на роботов с пассивными или активными колесами, роботов с активными гусеницами и волнообразных роботов, использующих вертикальные волны или линейные расширения. Большинство змееподобных роботов используют колеса, которые имеют высокое трение при движении из стороны в сторону и низкое трение при движении вперед (и их можно предотвратить от откатывания назад). Большинство змееподобных роботов используют либо боковая волнистость или же прямолинейное движение и испытывают трудности с подъемом по вертикали. Choset недавно разработал модульного робота, который может имитировать несколько змеиных походок, но не может гармоничное движение.[19] Исследователи из Технологического института Джорджии недавно разработали двух змееподобных роботов под названием Scalybot. Основное внимание в этих роботах уделяется роли брюшных чешуек змеи в регулировке фрикционных свойств в разных направлениях. Эти роботы могут активно управлять своими весами, изменять их фрикционные свойства и эффективно перемещаться по различным поверхностям.[20] Исследователи CMU разработали как масштабированные[21] и обычные управляемые змееподобные роботы.[22]

Дальнейшая информация: Snakebot

Альпинизм

Скалолазание - особенно сложная задача, потому что ошибки, допущенные альпинистом, могут привести к тому, что он потеряет хватку и упадет. Большинство роботов построены вокруг одной функции, наблюдаемой у их биологических аналогов. Гекоботы[23] обычно используют силы Ван-дер-Ваальса, которые действуют только на гладких поверхностях. Липкие боты,[24][25][26][27] и[28] используйте сухие клеи направленного действия, которые лучше всего подходят для гладких поверхностей. Spinybot[29] и RiSE[30] роботы относятся к числу роботов, похожих на насекомых, которые вместо этого используют шипы. Ноги альпинистские роботы имеют несколько ограничений. Они не могут справиться с большими препятствиями, так как они негибкие и требуют большого пространства для перемещения. Обычно они не могут взбираться как по гладкой, так и по шероховатой поверхности, а также не могут справиться с вертикальными и горизонтальными переходами.

Прыжки

Одна из задач, обычно выполняемых множеством живых организмов, - это прыжки. Бхарал, зайцы, кенгуру, кузнечик, блоха, и саранча входят в число лучших прыгающих животных. Миниатюрный прыгающий робот весом 7 грамм, вдохновленный саранча был разработан в EPFL, он может прыгать до 138 см.[31] Событие скачка вызывается снятием напряжения пружины. Миниатюрный робот с самым высоким прыжком, вдохновленный саранчой, весит 23 грамма, а его самый высокий прыжок до 365 см - это TAUB (Тель-Авивский университет и инженерный колледж Брауде).[32] Он использует торсионные пружины в качестве накопителя энергии и включает в себя проволочный и защелкивающий механизм для сжатия и освобождения пружин. ETH Zurich сообщил о роботе с мягким прыжком, основанном на сгорании метан и веселящий газ.[33] Тепловое расширение газа внутри мягкой камеры сгорания резко увеличивает объем камеры. Это заставляет робота весом 2 кг подпрыгивать на 20 см. Мягкий робот, вдохновленный роликовая игрушка затем после приземления переориентируется в вертикальное положение.

Классификация поведения (водное передвижение)

Плавание (piscine)

Подсчитано, что при плавании некоторые рыбы могут достичь движущий КПД более 90%.[34] Кроме того, они могут ускоряться и маневрировать намного лучше, чем любая искусственная лодка или подводная лодка, и производят меньше шума и помех от воды. Поэтому многие исследователи, изучающие подводных роботов, хотели бы скопировать этот тип передвижения.[35] Яркими примерами являются Компьютерные науки Эссекского университета Робот-рыба G9,[36] и робот-тунец, созданный Институтом полевой робототехники, для анализа и математического моделирования грозообразное движение.[37] Аквапингвин,[38] спроектирован и построен компанией Festo в Германии, копирует обтекаемую форму и движущую силу передними «ластами» пингвины. Компания Festo также создала модели Aqua Ray и Aqua Jelly, которые имитируют движения ската манты и медузы соответственно.

Роботизированная рыба: iSplash-II

В 2014 iSplash-II был разработан докторантом Ричардом Джеймсом Клэпхэмом и профессором Хуошенг Ху из Университета Эссекса. Это была первая рыба-робот, способная превзойти настоящую рыбу-панцирь с точки зрения средней максимальной скорости (измеряется в длинах тела в секунду) и выносливости, продолжительности поддержания максимальной скорости.[39] Эта сборка достигла скорости плавания 11,6BL / s (то есть 3,7 м / с).[40] Первая сборка, iSplash-I (2014 г.) была первой роботизированной платформой, которая применила длину всего тела панцирная форма плавательные движения, которые, как было установлено, увеличивают скорость плавания на 27% по сравнению с традиционным подходом с задним ограничением формы волны.[41]

Морфологическая классификация

Модульный

Honda Asimo: робот-гуманоид

Модульные роботы обычно способны выполнять несколько задач и особенно полезны для поисково-спасательных или исследовательских миссий. Некоторые из представленных роботов в этой категории включают саламандра вдохновленный робот, разработанный в EPFL, который может ходить и плавать,[42] а змея вдохновленный робот, разработанный в Университет Карнеги Меллон который имеет четыре различных режима передвижения по земле,[19] и таракан Вдохновленный робот может бегать и лазить по разнообразной сложной местности.[13]

Гуманоид

Гуманоидные роботы - это роботы, которые похожи на людей или вдохновлены человеческой формой. Существует много различных типов роботов-гуманоидов для таких приложений, как личная помощь, прием, работа в промышленности или товарищеские отношения. Этот тип роботов также используется в исследовательских целях и изначально был разработан для создания более совершенных ортезов и протезов для людей. Петман - один из первых и самых передовых роботов-гуманоидов, разработанных в Boston Dynamics. Некоторые из гуманоидных роботов, такие как Honda Asimo, находятся в состоянии перегрузки.[43] С другой стороны, есть некоторые роботы-гуманоиды, такие как робот, разработанный в Корнельском университете, у которых нет приводов и они пассивно спускаются по пологому склону.[44]

Роение

Коллективное поведение животных интересует исследователей уже несколько лет. Муравьи может строить конструкции вроде плотов, чтобы выжить на реках. Рыбы могут более эффективно ощущать свое окружение в больших группах. Ройная робототехника это довольно новая область, и цель состоит в том, чтобы создавать роботов, которые могут работать вместе и передавать данные, создавать структуры как группу и т. д.[45]

Мягкий

Мягкие роботы[46] роботы, полностью состоящие из мягких материалов, перемещаются под действием пневматического давления, подобно осьминог или же морская звезда. Такие роботы достаточно гибки, чтобы перемещаться в очень ограниченном пространстве (например, в теле человека). Первые многожильные софт-роботы были разработаны в 2011 году.[47] а первый полностью интегрированный независимый мягкий робот (с мягкими батареями и системами управления) был разработан в 2015 году.[48]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Р. Фиринг, С. Авадханула, Д. Камполо, М. Ситти, Дж. Ян и Р. Вуд, «Грудь микромеханического летающего насекомого», Нейротехнология для биомиметических роботов, стр. 469–480, 2002.
  2. ^ Г. Дудек, М. Дженкин, К. Прахач, А. Хог, Дж. Саттар, П. Жигере, А. Герман, Х. Лю, С. Сандерсон, А. Рипсман и др. "Визуально управляемый плавательный робот », на Международной конференции IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам и системам, IROS, стр. 3604–3609, 2005 г.
  3. ^ А. Алесси, А. Судано, Д. Аккото, Э. Гульелмелли, «Разработка автономных роботов-рыб», В биомедицинской робототехнике и биомехатронике (BioRob), 4-я Международная конференция IEEE RAS и EMBS, 2012 г. (стр. 1032-1037) . IEEE.
  4. ^ Наврот; и другие. (2012). «Медуза тканевой инженерии с биомиметической движущей силой». Природа Биотехнологии. 30: 792–797. Дои:10.1038 / nbt.2269.
  5. ^ Парк; и другие. (2016). «Фототаксическое наведение мягко-роботизированного луча тканевой инженерии». Наука. 353: 158–162. Дои:10.1126 / science.aaf4292.
  6. ^ Голень; и другие. (2018). «Микроинженерные мягкие роботы с электрическим приводом». Современные материалы. 30: 1704189. Дои:10.1002 / adma.201704189.
  7. ^ Александер Р. М. Принципы передвижения животных. Издательство Принстонского университета, 2003 г.
  8. ^ М. Х. Райберт, Х. Б. Браун, "Эксперименты в равновесии с двумерной одноногой прыжковой машиной", Журнал ASME по динамическим системам, измерениям и управлению, стр 75-81, 1984.
  9. ^ М. Ахмади и М. Бюлер, "Стабильное управление моделируемым одноногим бегущим роботом с податливостью бедер и ног", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 13, нет. 1. С. 96–104, 1997.
  10. ^ П. Грегорио, М. Ахмади и М. Бюлер, «Проектирование, управление и энергетика робота с электрическими ногами», IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, vol. 27, нет. 4. С. 626–634, 1997.
  11. ^ Р. Niiyama, А. Nagakubo и Y. Kuniyoshi, «Маугли: двуногого прыжки и посадки робот с искусственной костно-мышечной системы,» в IEEE Международной конференции по робототехнике и автоматизации, С. 2546-2551, 2007..
  12. ^ М. Райберт, К. Бланкеспур, Г. Нельсон, Р. Плейтер и др., «Bigdog, четвероногий робот для пересеченной местности», в Proceedings of the 17th World Congress, pp. 10823–10825, 2008.
  13. ^ а б c У. Саранли, М. Бюлер и Д. Кодичек, «Рекс: простой и высокомобильный робот-гексапод», Международный журнал исследований робототехники, вып. 20, нет. 7. С. 616–631, 2001.
  14. ^ а б Дж. Кларк, Дж. Чам, С. Бейли, Э. Фройлих, П. Нахата, М. Каткоски и др., «Биомиметический дизайн и изготовление шестигранного бегущего робота», в Robotics and Automation, 2001. Proceedings 2001 ICRA . IEEE International Conference on, vol. 4. С. 3643–3649, 2001.
  15. ^ а б С. Ким, Дж. Кларк и М. Каткоски, «isprawl: разработка и настройка для высокоскоростной автономной работы с разомкнутым контуром», Международный журнал исследований робототехники, вып. 25, нет. 9. С. 903–912, 2006.
  16. ^ С. Вакимото, К. Судзумори, Т. Канда и др., «Биомиметический робот-амфибия с мягким шнуром», Труды Японского общества инженеров-механиков, часть C, т. 18, нет. 2. С. 471–477, 2006.
  17. ^ Ю. Ли, Б. Ли, Дж. Руан и Х. Ронг, «Исследование бионических четвероногих роботов-млекопитающих: обзор», в Робототехнике, Конференция IEEE по автоматизации и мехатронике, стр. 166–171, 2011.
  18. ^ С. Хиросе, П. Кейв и К. Гоулден, Роботы, вдохновленные биологией: змееподобные локомоторы и манипуляторы, т. 64. Oxford University Press, Oxford, UK, 1993.
  19. ^ а б Р. Хаттон и Х. Чосет, "Генерация походок для роботов-змей: подгонка отожженной цепи и извлечение волн ключевых кадров", Автономные роботы, т. 28, вып. 3. С. 271–281, 2010.
  20. ^ Х. Марви, Дж. Мейерс, Дж. Рассел, Д. Ху, «Scalybot: робот в стиле змеи с активной анизотропией трения», Конференция по динамическим системам и управлению ASME, Арлингтон, Вирджиния, 2011.
  21. ^ Змеиная кожа дает роботу способность ползать
  22. ^ ЭТА ЗМЕЯ РОБОТА ОЧЕНЬ НЕ ВРЕДА ВАМ
  23. ^ О. Унвер, А. Унери, А. Айдемир и М. Ситти, «Гекобот: альпинистский робот, вдохновленный гекконами, использующий эластомерные клеи», Международная конференция по робототехнике и автоматизации, стр. 2329–2335, 2006 г.
  24. ^ С. Ким, М. Спенко, С. Трухильо, Б. Хейнеман, Д. Сантос и М. Каткоски, "Плавное лазание по вертикальной поверхности с направленным сцеплением", IEEE Transactions on Robotics, vol. 24, вып. 1. С. 65–74, 2008.
  25. ^ С. Ким, М. Спенко, С. Трухильо, Б. Хейнеман, В. Маттоли и М. Каткоски, «Адгезия всего тела: иерархическое, направленное и распределенное управление силами сцепления для лазящего робота» в Международной конференции IEEE по Робототехника и автоматизация, 2007, с. 1268–1273.
  26. ^ Д. Сантос, Б. Хейнеман, С. Ким, Н. Эспарза и М. Каткоски, «Образцы лазания, вдохновленные гекконом, по вертикальным и нависающим поверхностям», Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, стр. 1125–1131, 2008 г. .
  27. ^ А. Асбек, С. Дастур, А. Парнесс, Л. Фуллертон, Н. Эспарза, Д. Сото, Б. Хейнеман и М. Каткоски, «Восхождение на неровные вертикальные поверхности с иерархической направленной адгезией», Международная конференция по робототехнике IEEE и автоматизация, 2009, с. 2675–2680.
  28. ^ С. Трухильо, Б. Хейнеман и М. Каткоски, «Ограниченная конвергентная регуляция походки для поднимающегося робота», в Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации, стр. 5243–5249, 2010 г.
  29. ^ А. Асбек, С. Ким, М. Каткоски, В. Прованчер, М. Ланцетта, «Масштабирование твердых вертикальных поверхностей с помощью податливых массивов микрошипов», Международный журнал исследований робототехники, том 25, № 12, стр. 1165- 1179, 2006 г.
  30. ^ М. Спенко, Г. Хейнс, Дж. Сондерс, М. Каткоски, А. Рицци, Д. Кодичек и др. «Биологически вдохновленное лазание с гексапедальным роботом», Journal of Field Robotics, vol. 25, нет. 4-5, стр. 223–242, 2008.
  31. ^ М. Ковач, М. Фукс, А. Гиньяр, Дж. Зуффери и Д. Флореано, «Миниатюрный прыгающий робот 7g», на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации, стр. 373–378, 2008 г.
  32. ^ В. Зайцев, О. Гвирсман, У. Бен Ханан, А. Вайс, А. Аяли и Г. Коса, «Миниатюрный прыгающий робот, вдохновленный саранчой», в Bioinspiration & biomimetics, 10 (6), p.066012.
  33. ^ М. Лепфе, К.М. Шумахер, У.Б. Люстенбергер и У.Дж.Старк, «Не привязанный, прыгающий мягкий робот, управляемый сгоранием», Soft Robotics, Vol. 2, No. 1, pp. 33-41, 2015.
  34. ^ Сфакиотакис; и другие. (1999). «Обзор способов плавания рыб для водного передвижения» (PDF). IEEE Journal of Oceanic Engineering. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-09-26. Получено 2007-10-24. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  35. ^ Ричард Мейсон. "Каков рынок рыб-роботов?". Архивировано из оригинал на 2009-07-04.
  36. ^ "Роботизированная рыба на базе Gumstix PC и PIC". Группа робототехники, ориентированной на человека в Университете Эссекса. Архивировано из оригинал на 2011-08-24. Получено 2007-10-25.
  37. ^ Витун Джуварахавонг. «Робот-рыба». Институт полевой робототехники. Архивировано из оригинал на 2007-11-04. Получено 2007-10-25.
  38. ^ youtube.com
  39. ^ "Скоростная роботизированная рыба | iSplash". isplash-робот. Получено 2017-01-07.
  40. ^ «iSplash-II: реализация быстрого плавания по Каранджиом, чтобы превзойти настоящую рыбу» (PDF). Группа робототехники в Университете Эссекса. Архивировано из оригинал (PDF) в 2015-09-30. Получено 2015-09-29.
  41. ^ «iSplash-I: высокоэффективное плавательное движение Carangiform Robotic Fish с координацией всего тела» (PDF). Группа робототехники в университете Эссекса. Архивировано из оригинал (PDF) в 2015-09-30. Получено 2015-09-29.
  42. ^ A. J. Ijspeert, A. Crespi, D. Ryczko и J.-M. Кабельгуен, «От плавания к ходьбе с роботом-саламандрой, управляемым моделью спинного мозга», Science, vol. 315, номер. 5817, стр. 1416-1420, 2007.
  43. ^ К. Хайрер, М. Хиросе, Ю. Хайкава и Т. Такенака, «Разработка роботов-гуманоидов honda», в Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации, т. 2. С. 1321–1326, 1998.
  44. ^ С. Коллинз, М. Висс и А. Руина, "Трехмерный пассивно-динамический шагающий робот с двумя ногами и коленями", Международный журнал исследований робототехники, вып. 20, нет. 7. С. 607–615, 2001.
  45. ^ Э. Шахин, «Робототехника Swarm: от источников вдохновения к областям применения», Swarm Robotics, стр. 10–20, 2005 г.
  46. ^ Триведи, Д., Ран, К. Д., Кир, В. М., и Уокер, И. Д. (2008). Мягкая робототехника: биологическое вдохновение, современные достижения и будущие исследования. Прикладная бионика и биомеханика, 5 (3), 99-117.
  47. ^ Р. Шеперд, Ф. Илиевски, В. Чой, С. Морин, А. Стоукс, А. Мацце, X. Чен, М. Ван и Г. Уайтсайдс, «Мягкий робот Multigait», Труды Национальной академии наук , т. 108, нет. 51. С. 20400–20403, 2011.
  48. ^ «Пневматический осьминог - первый мягкий одиночный робот». BBC. Получено 25 августа 2016.

внешняя ссылка

Исследовательские лаборатории