Une plante

Reportage du 5 juin 2023

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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. En effet, les animaux et les plantes sont naturellement dotés de capacités qui les aident à survivre dans leurs environnements respectifs, et qui pourraient donc également améliorer les performances des robots en dehors des laboratoires.

Des chercheurs du laboratoire Brain-Inspired Robotics (BRAIR), de l'Institut de biorobotique de la Sant'Anna School of Advanced Study 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 le monde réel non structuré. environnements. Ce contrôleur, présenté dans un article présenté à la conférence IEEE RoboSoft 2023 à Singapour et sélectionné parmi les finalistes du prix du meilleur article étudiant, permet spécifiquement aux bras robotiques d'accomplir des tâches qui impliquent d'atteindre des endroits ou des objets spécifiques dans leur environnement.

"Les bras robotiques souples sont une nouvelle génération de manipulateurs robotiques qui s'inspirent des capacités de manipulation avancées des organismes" désossés ", tels que les tentacules de poulpe, les trompes d'éléphant, les plantes, etc.", Enrico Donato, l'un des chercheurs qui a effectué l'étude, a déclaré Tech Xplore. "La traduction de ces principes en solutions d'ingénierie aboutit à des systèmes composés de matériaux légers flexibles qui peuvent subir une déformation élastique douce pour produire un mouvement souple et adroit. En raison de ces caractéristiques souhaitables, ces systèmes se conforment aux surfaces et présentent une robustesse physique et une sécurité humaine. opération à un coût potentiellement faible."

Alors que les bras de robot souples pourraient être appliqués à un large éventail de problèmes du monde réel, ils pourraient être particulièrement utiles pour automatiser les tâches qui impliquent d'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 de s'attaquer efficacement à ces tâches.

"Généralement, le fonctionnement de ces contrôleurs repose sur des formulations informatiques qui peuvent créer une cartographie valide entre deux espaces opérationnels du robot, c'est-à-dire l'espace des tâches et l'espace des actionneurs", a expliqué Donato. "Cependant, le bon fonctionnement de ces contrôleurs repose généralement sur la rétroaction visuelle qui limite leur validité dans les environnements de laboratoire, restreignant la capacité de déploiement de ces systèmes dans des environnements naturels et dynamiques. Cet article est la première tentative pour surmonter cette limitation non résolue et étendre la portée de ces systèmes à des environnements non structurés."

Comme la plupart des contrôleurs existants pour les bras de robots souples se sont révélés performants 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 des environnements réels. Le contrôleur qu'ils ont proposé s'inspire des mouvements et du comportement des plantes.

"Contrairement à l'idée fausse commune selon laquelle les plantes ne bougent pas, les plantes se déplacent activement et délibérément 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 qui fait défaut au règne animal. Fait intéressant, contrairement aux animaux, les stratégies de déplacement des plantes ne découlent pas d'un système nerveux central, mais plutôt, elles surviennent en raison de processus sophistiqués. formes de mécanismes informatiques décentralisés.

La stratégie de contrôle qui sous-tend 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 basés sur le comportement, qui consistent en des agents informatiques 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 d'atteinte global", a déclaré Donato. "Plus précisément, le bras de robot souple comprend un agencement 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 principales."

Les agents informatiques qui sous-tendent le fonctionnement du contrôleur de l'équipe exploitent l'amplitude et la synchronisation de la configuration de l'actionneur pour reproduire deux types différents de mouvements de la plante, connus sous le nom de circumnutation et de phototropisme. Les circumnutations sont des oscillations couramment observées chez les plantes, tandis que le phototropisme sont des mouvements directionnels qui rapprochent les branches ou les feuilles d'une plante de la lumière.

Le contrôleur créé par Donato et ses collègues peut basculer entre ces deux comportements, réalisant le contrôle séquentiel des bras robotiques s'étendant sur deux étapes. La première de ces étapes est une phase d'exploration, où les bras explorent leur environnement, tandis que la seconde est une phase d'atteinte, où ils se déplacent pour atteindre un emplacement ou un objet souhaité.

"Peut-être que la leçon la plus importante de ce travail particulier est que c'est la première fois que des bras robotiques souples redondants ont été activés pour atteindre des capacités en dehors de l'environnement de laboratoire, avec un cadre de contrôle très simple", a déclaré Donato. "En outre, le contrôleur est applicable à tout bras de robot souple pourvu d'un agencement d'actionnement similaire. Il s'agit d'un pas vers l'utilisation de stratégies de détection intégrées et de contrôle distribué dans les robots continus et mous."

Jusqu'à présent, les chercheurs ont testé leur contrôleur dans une série de tests, en utilisant un bras robotique modulaire entraîné par câble, léger et souple avec 9 degrés de liberté (9-DoF). Leurs résultats étaient très prometteurs, car le contrôleur permettait au bras d'explorer son environnement et d'atteindre un emplacement cible plus efficacement que d'autres stratégies de contrôle proposées dans le passé.

À l'avenir, le nouveau contrôleur pourrait être appliqué à d'autres bras robotiques souples et testé à la fois en laboratoire et dans des conditions réelles, afin d'évaluer davantage sa capacité à faire face aux changements environnementaux dynamiques. Pendant ce temps, Donato et ses collègues prévoient de développer davantage leur stratégie de contrôle, afin qu'elle puisse produire des mouvements et des comportements de bras robotiques supplémentaires.

"Nous cherchons actuellement à améliorer les capacités du contrôleur pour permettre des comportements plus complexes tels que le suivi de cible, le jumelage du bras entier, etc., afin de permettre à ces systèmes de fonctionner dans des environnements naturels pendant de longues périodes", a ajouté Donato.

Plus d'information: Enrico Donato et al, Contrôleur basé sur le comportement inspiré des plantes pour permettre d'atteindre des bras de robot continuum redondants, Conférence internationale IEEE 2023 sur la robotique douce (RoboSoft) (2023). DOI : 10.1109/RoboSoft55895.2023.10122017.

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