柔らかいロボット アームがブドウやブロッコリーの房の周りで曲がり、物体を持ち上げながらリアルタイムでグリップを調整しているところを想像してください。通常、安全上の理由から環境との接触を可能な限り避け、人間から遠ざかることを目的とする従来の剛体ロボットとは異なり、このアームは微妙な力を感知し、人間の手の従順をより忠実に模倣する方法で伸縮します。タスクを効率的に実行しながら過剰な力を避けるために、そのすべての動作が計算されています。 MIT のコンピューター サイエンスおよび人工知能研究所 (CSAIL) と情報意思決定システム研究所 (LIDS) では、これらの一見単純な動きは、人間や繊細な物体と安全に対話できるロボットのための複雑な数学、厳密なエンジニアリング、ビジョンの集大成です。
変形した体を備えたソフト ロボットは、機械が人に沿ってよりスムーズに移動したり、産業環境で介護を支援したり、デリケートなアイテムを扱ったりする未来を約束します。ただし、その柔軟性が非常に高いため、制御が困難になります。小さな曲げやねじれによって予期せぬ力が生じ、損傷や怪我のリスクが高まる可能性があります。このため、ソフトロボットの安全な制御戦略の必要性が高まっています。
「ハードロボットの安全制御と形式的手法の進歩に触発され、私たちはこれらのアイデアをソフトロボット工学に適応させ、複雑な動作をモデル化し、接触を回避するのではなく採用することで、安全性や身体化されたインテリジェンスを犠牲にすることなく、より高性能な設計（例えば、積載量や精度の向上など）を可能にすることを目指しています」と、MITardini Gio土木環境工学科の上級筆頭著者兼アシスタント投資家であり、データ・システム・社会研究所に所属する教員は述べています。 (IDSS)。 「このビジョンは、他のグループによる最近の並行作業でも共有されています。」
安全第一
同チームは、非線形制御理論 (非常に複雑なダイナミクスを含む制御システム) と、高度な物理モデリング技術および効率的なリアルタイム最適化を組み合わせて、いわゆる「タッチ認識安全性」を実現する新しいフレームワークを開発しました。このアプローチの中心となるのは、高次制御バリア関数 (HOCBF) と高次制御リアプノフ関数 (HOCLF) です。 HOCBF は安全な動作限界を定義し、ロボットが危険な力を及ぼさないようにします。 HOCLF は、ロボットをミッション目標に向かって効果的に導き、安全性とパフォーマンスのバランスを保ちます。
「基本的に、私たちはロボットに、その目標を達成しながら環境と相互作用する際の限界を知るように教えています」と、このフレームワークを説明する新しい論文の主著者であるマサチューセッツ工科大学機械工学科の博士課程学生、キワン・ウォンは言う。 「このアプローチには、ソフトロボットのダイナミクス、接触モデリング、および制御制約の複雑な導出が含まれますが、制御目標と安全バリアの仕様は実践者にとって非常に簡単で、ロボットがスムーズに動き、接触に反応し、危険な状況を決して引き起こさないことがわかるように、結果は非常に具体的です。」
「順方向不変の安全集合を指定するのが難しい従来の運動学的 CBF と比較して、HOCBF フレームワークはバリア設計を簡素化し、その最適化定式化によりシステム ダイナミクス (慣性など) が考慮され、安全でない接触力を避けるためにソフト ロボットが十分早く停止することが保証されます。」と XSAIL の元ウースター研究所ポストポリテクニック教授は述べています。
「ソフトロボットの出現以来、この分野では、受動的材料と構造互換性への準拠のおかげで、剛性ロボットと比較して、その固有の知能とより本質的な安全性が強調されてきました。しかし、ソフトロボットの『認知』知能、特に安全システムは、シリアルリンクを備えた剛性マニピュレータに比べて遅れています」と、デルツルフト大学出身でデルツレ研究大学の研究共同責任者、元デルツ氏は語る。 MIT LIDS および CSAIL の学生および客員研究員。 「この研究は、実証済みのアルゴリズムをソフトロボットに適用し、それらを安全な接触とソフトシーケンスダイナミクスに適応させることで、このギャップを埋めるのに役立ちます。」
LIDS と CSAIL チームは、ロボットの安全性と適応性を試すために設計された一連の実験でシステムをテストしました。あるテストでは、アームを対応する表面に優しく押し付け、オーバーシュートすることなく正確な力を維持しました。別の写真では、滑らないようにグリップを調整しながら、湾曲した物の輪郭をトレースしました。別のデモンストレーションでは、ロボットは人間のオペレーターと一緒に壊れやすい品物を操作し、予期せぬ押しや動きにリアルタイムで反応しました。 「これらの実験は、私たちのフレームワークが多様なタスクや目的に一般化できること、そしてロボットが明確に定義された安全限界を維持しながら複雑なシナリオを感知し、適応し、行動できることを示しています」とZardini氏は述べています。
もちろん、タッチを認識する安全性を備えたソフト ロボットは、一か八かの場所で真の付加価値をもたらします。医療分野では、手術を補助し、患者のリスクを軽減しながら正確な操作を提供します。産業界では、常時監視を受けずに壊れやすい商品を扱う場合があります。家庭環境では、ロボットは家事や介護作業を手助けし、子供や高齢者と安全に交流できます。これは、ソフトロボットを実際の環境で信頼できるパートナーにするための重要なステップです。
「ソフト ロボットには信じられないほどの可能性があります」と、CSAIL 所長で電気工学およびコンピュータ サイエンス学科の教授である上級著者のダニエラ ロス氏は述べています。 「しかし、比較的単純なターゲットを使用して安全タスクとモーションコーディングを確保することは、常に大きな課題でした。私たちは、ロボットが安全な力の制限を超えないことを数学的に保証しながら、ロボットが柔軟で応答性を維持できるシステムを作成したいと考えました。」
ソフトロボットモデリング、分離可能なシミュレーション、制御理論の組み合わせ
制御戦略の中心となるのは、Piecewise Cosserat-Segment (PCS) ダイナミクス モデルと呼ばれるものの微分可能な実装であり、ソフト ロボットがどのように変形し、力がどこに蓄積されるかを予測します。このモデルにより、システムはロボットの身体が起動や環境との複雑な相互作用にどのように反応するかを予測することができます。 「この研究で私が最も気に入っている点は、高度なソフト ロボット モデル、分離可能なシミュレーション、リアプノフ理論、凸型最適化、傷害の重症度に基づく安全制約など、さまざまな分野の新旧のツールを統合していることです。これらすべてが完全に第一原理に基づいたリアルタイム コントローラーである Delfthor Coassociate に見事に統合されています。」と Delfthor Coassociate 氏は述べています。工科大学。
これを補完するのが微分可能保守的分離軸定理 (DCSAT) です。これは、ソフト ロボットと環境内の障害物との間の距離を推定し、微分可能な方法で凸多角形のチェーンで近似できます。 「凸多角形の初期の微分可能な距離測定では、接触力の推定に重要な侵入深さを計算できなかったり、安全性を損なう可能性のある保守的でない推定値が生成されたりしました」とウォン氏は言います。 「代わりに、DCSAT インデックスは厳密に保守的な、したがって安全な推定値を返しますが、同時に高速で微分可能な計算を可能にします。」 PCS と DCSAT を併用すると、ロボットは環境を予測して認識できるようになり、より積極的かつ安全な対話が可能になります。
今後を見据えて、チームはその手法を 3D ソフト ロボットに拡張し、学習ベースの戦略との統合を検討する予定です。タッチ認識安全性と適応学習を組み合わせることで、ソフト ロボットはさらに複雑で予測不可能な環境にも対応できるようになります。
「それが私たちの仕事を刺激的なものにしているのです」とロスは言います。 「ロボットが人間らしく慎重に行動しているのがわかりますが、その優雅さの背後には、ロボットが決して限界を超えないようにする厳格な制御フレームワークがあります。」
「柔らかいロボットは、体の適合性とエネルギー吸収特性により、設計上、一般に硬い体のロボットよりも安全に対話できます」と、研究には関与していないミシガン大学のダニエル・ブルーダー助教授は言う。 「しかし、ソフトロボットがより速く、より強く、より高機能になるにつれて、これでは安全を確保するのに十分ではなくなる可能性があります。この研究は、ソフトロボットの全身にわたる接触力を制限する方法を提案することにより、ソフトロボットが安全に動作できることを保証するための重要な一歩となります。」
チームの活動は、とりわけ、香港ジョッキークラブフェローシップ、欧州連合のホライズンヨーロッパプログラム、文化財団ウェテンシャプスボイレンス、およびラッジ（1948）とナンシー・アレンチェアによって支援されました。彼らの研究は今月初めに電気電子学会誌に掲載されました。 ロボット工学と自動化の手紙。
