由可以充氣的柔性材料制成的機(jī)器人具有許多理想的特性，包括它們的重量輕和柔韌性高(即發(fā)生彈性變形的能力)。這些品質(zhì)使它們非常適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中或在必定要非常接近人類操作的環(huán)境中完成任務(wù)。
為了最有效地工作，應(yīng)快速有效地控制充氣機(jī)器人的剛度和位置。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的用于控制軟充氣機(jī)器人的剛度和位置的模型都受到一定程度的限制，并且通常無法獲得令人滿意的結(jié)果。
楊百翰大學(xué)的研究人員最近進(jìn)行了一項研究，旨在評估和比較同時控制充氣機(jī)器人的剛度和位置的不同方法。他們的論文發(fā)表在《國際機(jī)器人研究雜志》上，介紹了一種將剛度表示為狀態(tài)變量的模型。該模型最終可用于更有效地控制充氣機(jī)器人的剛度和位置。
進(jìn)行這項研究的研究人員之一馬克·基爾帕克(Marc Killpack)對TechXplore 表示：“軟機(jī)器人可能會改變機(jī)器人在現(xiàn)實世界中(工廠或其他結(jié)構(gòu)化環(huán)境之外)處理操縱任務(wù)的方式。” “但是，帶有對抗性執(zhí)行器的軟機(jī)器人的主要優(yōu)勢之一- 在我們的論文中，兩個氣動腔室會沿相反的方向產(chǎn)生扭矩-常常被忽略或沒有明確地用于控制關(guān)節(jié)的剛度。”
人類和其他生物有機(jī)體能夠連續(xù)控制關(guān)節(jié)的僵硬，以適應(yīng)不同的情況以及與環(huán)境中物體或人的相互作用。過去，一些研究人員能夠使用主動控制策略在傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人上復(fù)制此功能。
但是，這些策略通常需要通過以極高的速度運(yùn)行的代碼來控制機(jī)器人。結(jié)果，它們的性能可能很差，有時甚至?xí)跈C(jī)器人中產(chǎn)生不良行為，尤其是在力傳感器發(fā)生故障時。
控制軟機(jī)器人的剛度和位置可能比控制剛性機(jī)器人要容易得多，因為它不需要高速控制和力傳感器來獲得類似的可變剛度結(jié)果。實際上，也可以使用計算模型和算法來控制軟機(jī)器人的剛度。在他們的研究中，Killpack和他的同事探索了這種可能性，介紹了一種用于控制充氣機(jī)器人剛度的新模型。
Killpack說：“有趣的是，我們在研究非線性和更復(fù)雜的氣動和壓力-扭矩模型方面做了很多工作。” “但是，在我們最初嘗試實現(xiàn)基于模型的控制時，我們發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的模型并不一定會帶來更好的性能，并且會嚴(yán)重影響我們執(zhí)行實時模型預(yù)測控制的能力。”
在意識到模型的復(fù)雜性并不一定會影響其控制軟機(jī)器人的剛度后，Killpack和他的同事決定開發(fā)一種簡化版本的動態(tài)模型，該模型是他們先前工作中開發(fā)的。最初，研究人員試圖使用稱為QP凸優(yōu)化求解器的復(fù)雜模型來實現(xiàn)基于模型的控制。然而，在他們最近的研究中，他們發(fā)現(xiàn)使用基于GPU的基于改進(jìn)和簡化的非線性模型的優(yōu)化可以達(dá)到更好的控制性能。
Killpack說：“我們的主要發(fā)現(xiàn)是，可以同時控制大型，柔軟的氣動機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度和位置。” “軟機(jī)器人有效控制剛度和位置的能力絕對取決于可用的源壓力和最大允許控制壓力。”
當(dāng)Killpack和他的同事評估他們的模型預(yù)測控制(MPC)方法時，他們發(fā)現(xiàn)它比以前基于控制單個軟機(jī)器人關(guān)節(jié)的方式設(shè)計的方法取得了更可喜的結(jié)果，并且調(diào)整起來要容易得多。他們的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)需要引入工具包和教程，以應(yīng)用與他們的研究類似的MPC技術(shù)。
將來，這些技術(shù)將最終指導(dǎo)沒有背景的機(jī)器人技術(shù)研究人員設(shè)計自己的MPC方法，從而幫助他們更好地控制充氣機(jī)器人的剛度和位置。Killpack和他的同事現(xiàn)在正在嘗試改進(jìn)他們引入的方法，以進(jìn)一步提高其性能。
“更具體地說，我們正在考慮將機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)勢與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(用于學(xué)習(xí)軟機(jī)器人的非線性甚至隨機(jī)行為)與基于模型的最佳控制相結(jié)合，以與我們相比提高軟機(jī)器人的性能過去的工作，” Killpack說。“這將反過來增加軟機(jī)器人在現(xiàn)實世界中實際操作任務(wù)的生存能力。此外，既然我們已經(jīng)證明我們至少能夠控制其剛度，我們希望開發(fā)一種方法來指定軟機(jī)器人應(yīng)如何操作在整個任務(wù)中改變其剛度。”
