Роботизированный захват, напоминающий виноградную лозу, мягко поднимает тяжелые и хрупкие предметы.

В садоводстве некоторые виноградные лозы особенно ценятся. По мере роста древесные усики могут обвивать препятствия с достаточной силой, чтобы снести целые заборы и деревья.

Вдохновленные извилистостью лоз, инженеры Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета разработали роботизированный захват, который может извиваться и поднимать различные предметы, в том числе стеклянную вазу и арбуз, предлагая более мягкий подход по сравнению с обычными захватами. Увеличенная версия роботов-усиков также может безопасно поднять человека с кровати.

Новый бот состоит из герметичной коробки, расположенной рядом с целевым объектом, из которой надуваются и растут длинные, похожие на лозу трубки, словно носки, вывернутые наизнанку. По мере выдвижения лозы скручиваются и обвиваются вокруг объекта, а затем возвращаются обратно к коробке, где они автоматически фиксируются на месте и механически сматываются обратно, чтобы осторожно поднять объект мягким, похожим на пращу захватом.

Исследователи продемонстрировали, что робот-лоза может безопасно и устойчиво поднимать различные тяжелые и хрупкие предметы. Робот также может протискиваться сквозь узкие помещения и преодолевать беспорядок, чтобы добраться до желаемого объекта и схватить его.

Команда предполагает, что этот тип робота-захвата можно будет использовать в самых разных сценариях: от сбора урожая сельскохозяйственных культур до погрузки и разгрузки тяжелых грузов. В ближайшем будущем группа изучает возможности применения в учреждениях по уходу за престарелыми, где мягкие надувные роботизированные лозы могут помочь мягко поднять человека с кровати.

«Перенос человека из постели — одна из самых тяжелых физически задач, выполняемых лицом, осуществляющим уход», — говорит Кентаро Баргидт, доктор философии. кандидат факультета машиностроения Массачусетского технологического института. «Такой тип робота может помочь облегчить уход за пациентом, а также быть мягче и комфортнее для пациента».

Баргидт и коллеги подарок новый дизайн робота сегодня в журнале Достижения науки. Соавторами исследования являются О. Годсон Оселе из Стэнфордского университета; Гарри Асада, профессор инженерного дела Форда в Массачусетском технологическом институте; и Эллисон Окамура, профессор инженерных наук Ричарда В. Вейланда в Стэнфордском университете, а также Срила Кодали и Космия дю Паскье из Стэнфордского университета, а также бывший аспирант Массачусетского технологического института Чейз Хартквист, сейчас работающий в Университете Флориды в Гейнсвилле.

Открытые и закрытые

Сотрудники команды из Стэнфорда во главе с Окамурой стали пионерами в разработке мягких роботов, напоминающих лозу, которые растут наружу из своих кончиков. Эти конструкции в основном состоят из тонких, но прочных пневматических трубок, которые растут и надуваются под контролируемым давлением воздуха. По мере роста трубки могут скручиваться, изгибаться и змеиться в окружающей среде, а также протискиваться через узкие и захламленные пространства.

Исследователи в основном исследовали роботов-виноградников для использования в проверках безопасности и поисково-спасательных операциях. Но в Массачусетском технологическом институте Баргидт и Асада, чья группа разработала роботов-помощников для пожилых людей, задались вопросом, смогут ли такие роботы, вдохновленные виноградной лозой, решить определенные проблемы в уходе за пожилыми людьми, в частности, задачу безопасного подъема человека из постели.

Часто в учреждениях по уходу и реабилитации этот процесс перемещения осуществляется с помощью подъемника пациента, которым управляет смотритель, который должен сначала физически переместить пациента на бок, а затем обратно на простыню, похожую на гамак. Опекун обвязывает пациента простыней и прикрепляет ее к механическому подъемнику, который затем может осторожно поднять пациента с кровати, подобно подвешиванию гамака или стропы.

Команда Массачусетского технологического института и Стэнфорда представила, что в качестве альтернативы робот, похожий на виноградную лозу, может аккуратно проползать под пациентом и вокруг него, создавая своего рода перевязь, без необходимости физически маневрировать пациентом. Но исследователи поняли, что для того, чтобы поднять стропу, им придется добавить элемент, отсутствующий в существующих конструкциях роботов-лоз: по сути, им придется замкнуть петлю.

Большинство роботов, вдохновленных виноградной лозой, спроектированы как системы с «разомкнутым контуром», то есть они действуют как струны с открытыми концами, которые могут растягиваться и изгибаться в различных конфигурациях, но они не предназначены для прикрепления к чему-либо с образованием замкнутого контура. Если бы робота-лозу можно было заставить трансформироваться из разомкнутого контура в замкнутый, Баргидт предположил, что он мог бы превратиться в пращу вокруг объекта и подтянуться вверх вместе с чем-либо или кем-либо, что он мог бы удерживать.

В своем новом исследовании Баргидт, Оселе и их коллеги обрисовывают дизайн нового роботизированный захват в стиле виноградной лозы который сочетает в себе действия как разомкнутого, так и замкнутого цикла. В конфигурации с разомкнутым контуром роботизированная лоза может расти и обвивать объект, обеспечивая его прочное сцепление. Он может даже зарыться под человека, лежащего на кровати. После захвата лоза может продолжать расти и прикрепляться к своему источнику, создавая замкнутую петлю, которую затем можно втянуть, чтобы извлечь объект.

«Люди могут предположить, что для того, чтобы что-то схватить, нужно просто протянуть руку и схватить это», — говорит Баргидт. «Но существуют разные этапы, такие как позиционирование и удержание. Преобразуя между открытым и закрытым контурами, мы можем достичь новых уровней производительности, используя преимущества обеих форм на соответствующих этапах».

Мягкая подвеска

В качестве демонстрации своей новой концепции открытого и закрытого цикла команда создала крупномасштабную роботизированную систему, предназначенную для безопасного подъема человека с кровати. Система состоит из набора герметичных коробов, прикрепленных к обоим концам верхней балки. Воздушный насос внутри коробок медленно надувает и разворачивает тонкие, похожие на виноградные лозы трубки, которые тянутся к изголовью и изножью кровати.

Давление воздуха можно контролировать, чтобы осторожно работать с трубками под человеком и вокруг него, прежде чем натянуть его обратно в соответствующие коробки. Затем лозы пропускаются через зажимной механизм, который прикрепляет лозы к каждому ящику. Лебедка наматывает лозы обратно к ящикам, осторожно поднимая человека вверх.

«Тяжелые, но хрупкие объекты, такие как человеческое тело, трудно ухватить роботизированными руками, доступными сегодня», — говорит Асада. «Мы разработали растущий робот-захват, похожий на виноградную лозу, который может обхватывать объект и мягко и надежно подвешивать его».

«Мы надеемся, что эта работа вдохновит наших коллег на дальнейшее исследование целого пространства дизайна», — говорит соавтор Оселе. «Я особенно с нетерпением жду последствий для заявок на перевод пациентов в здравоохранении».

«Я очень воодушевлен будущей работой по использованию подобных роботов для физической помощи людям с ограниченными возможностями передвижения», — добавляет соавтор Окамура. «Мягкие роботы могут быть относительно безопасными, недорогими и оптимально спроектированными для конкретных потребностей человека, в отличие от других подходов, таких как роботы-гуманоиды».

Хотя разработка команды была мотивирована проблемами ухода за пожилыми людьми, исследователи поняли, что новую конструкцию можно адаптировать и для выполнения других задач по захвату. В дополнение к своей крупномасштабной системе они создали уменьшенную версию, которую можно прикрепить к коммерческой роботизированной руке. С помощью этой версии команда показала, что робот-лоза может захватывать и поднимать различные тяжелые и хрупкие предметы, в том числе арбуз, стеклянную вазу, гирю, стопку металлических стержней и игровой мяч. Лозы также могут пробираться сквозь захламленный мусорный бак, чтобы вытащить нужный предмет.

«Мы думаем, что такая конструкция робота может быть адаптирована для многих приложений», — говорит Баргидт. «Мы также думаем о том, чтобы применить это к тяжелая промышленностьи такие вещи, как автоматизация работы кранов в портах и на складах».

Эта история переиздана с любезного разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, освещающий новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.