ربات پیوسته چیست؟ | کاربردهای ربات پیوسته

ربات پیوسته (Continuum robots) نوعی ربات است که با بینهایت درجه آزادی و مفاصل مشخص می شود. این ویژگی‌ها به ربات های  پیوسته اجازه می‌دهد تا شکل خود را در هر نقطه در طول خود تنظیم و اصلاح کنند، و به آنها امکان کار در فضاهای محدود و محیط‌های پیچیده را می‌دهد که در آن ربات‌های با لینک های صلب نمی‌توانند کار کنند. به طور خاص، می توان یک ربات پیوسته را به عنوان یک ساختار قابل حرکت تعریف کرد که اجزای سازنده آن منحنی‌هایی را با بردارهای مماس پیوسته تشکیل می‌دهد. این یک تعریف اساسی است که امکان تمایز بین ربات‌های پیوسته و روبات‌های بازوی مار یا دستکاری‌کننده‌های بیش از حد را فراهم می‌کند: در صورتی که لینک ها و مفاصل صلب در ساختار ربات وجود داشته باشد، منحنی هایی که شامل بردارهای مماس هستند، به صورت تقریبی خواهند بود.

طراحی ربات های پیوسته از طبیعت الهام گرفته شده است. امروزه تعداد زیادی ربات‌ های پیوسته تجاری شده‌اند که در حوزه‌های مختلف کاربردی، از حوزه پزشکی گرفته تا اکتشاف زیر دریا، مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه می توانید ویدیویی از بازوی رباتیک پیوسته و انعطاف پذیر شرکت Festo را مشاهده کنید. کاتالوگ این ربات را از انتهای صفحه می توانید دانلود کنید.

کاربرد ربات های پیوسته

ربات های پیوسته در زمینه های مختلفی به کار گرفته شده اند که در ادامه برخی از آن ها آورده شده است.

پزشکی

این ربات ها به طور گسترده در زمینه پزشکی، به ویژه برای جراحی های کم تهاجمی استفاده شده اند. به عنوان مثال، Ion by Intuitive یک پلت فرم اندولومینال با کمک رباتیک برای بیوپسی ریه با حداقل تهاجم است که امکان دسترسی به گره‌های واقع در نواحی محیطی ریه‌ها را فراهم می‌کند که با ابزارهای استاندارد قابل دسترسی نیستند. این روش اجازه می دهد تا تشخیص های اولیه سرطان بهتر انجام شود.

مکان های خطرناک

روبات های Continuum امکان انجام وظایف در محیط های خطرناک و آلوده را امکان پذیر می کنند. به عنوان مثال، یک ربات چهارپا با اندام های پیوسته ساخته شده است: می تواند راه برود، بخزد و از موانع دشوار عبورکند.

فضا

ناسا یک بازوی رباتیک پیوسته به نام Tendril ایجاد کرده است که می تواند در شکاف ها گسترش یابد تا به مناطقی دسترسی پیدا کند که با وسایل متعارف غیر قابل دسترس هستند.

زیر دریا

پروژه AMADEUS یک ربات زیر آب ماهرانه برای گرفتن است. همچنین پروژه FLAPS سیستم های پیشرانه ای را ایجاد کرد که مکانیسم های شنای ماهی را تکرار می کند.

مدلسازی ربات پیوسته

ایجاد یک مدل دقیق که بتواند شکل یک روبات پیوسته را پیش بینی کند، امکان کنترل صحیح شکل ربات را فراهم می کند. سه رویکرد اصلی برای مدل‌سازی روبات‌های پیوسته وجود دارد:

تئوری میله کوزرات (Cosserat rod theory)

این رویکرد یک راه حل دقیق برای استاتیک یک ربات پیوسته است، زیرا مشمول هیچ فرضی نیست. این روش، مجموعه ای از معادلات تعادل بین موقعیت، جهت گیری، نیروی داخلی و گشتاور ربات را حل می کند. این روش نیاز به حل عددی دارد و بنابراین به دلیل پیچیدگی زیاد آن از نظر محاسباتی گران است.

انحنای ثابت (Constant curvature)

این تکنیک فرض می‌کند که ستون فقرات ربات از مجموعه‌ای از بخش‌های مماس بر یکدیگر ساخته شده است که می‌توانند به صورت کمان‌هایی با انحنای ثابت تقریب زده شوند. این رویکرد به عنوان انحنای ثابت تکه ای نیز شناخته می شود. این فرض را می توان برای کل بخش ستون فقرات یا زیر بخش های آن اعمال کرد. این مدل نتایج امیدوارکننده‌ای را نشان داده است، با این حال باید در نظر گرفت که زیر بخش‌های ستون فقرات ممکن است با فرض انحنای ثابت مطابقت نداشته باشند و بنابراین رفتار مدل ممکن است به طور کامل با رفتار ربات را منطبق نباشد.

مدل لینک صلب (Rigid-link model)

این رویکرد بر این فرض استوار است که ربات پیوسته را می توان به بخش های کوچک با لینک های صلب تقسیم کرد. این یک فرض قوی است، زیرا اگر تعداد بخش ها خیلی کم باشد، مدل به سختی مانند ربات پیوسته رفتار می کند، در حالی که افزایش تعداد بخش ها به معنای افزایش تعداد متغیرها و در نتیجه پیچیدگی است. علی‌رغم این محدودیت، مدل‌سازی لینک صلب امکان استفاده از تکنیک‌های کنترل استاندارد را که برای ربات‌های گسسته با لینک صلب به خوبی کارآمد هستند، می‌دهد. ثابت شده است که اگر این مدل با سنسورهای شکل و نیرو همراه شود تا عدم دقت آن را کاهش دهد، به نتایج امیدوارکننده ای منجر می شود.

مزایا و معایب ربات های پیوسته

مزایا

ویژگی‌هایی مانند انعطاف‌پذیری بیش از حد، با ساختارهای الکترومکانیکی دارای درجات آزادی بی‌نهایت به ربات های پیوسته اجازه می دهد تا در مسیرهای منحنی پیچیده با مهارت بالا مانور دهند.

علاوه بر این، طراحی خاص ربات های پیوسته چندین مزیت را نسبت به ربات های پیوند صلب ارائه می دهد. روبات‌های پیوسته می‌توانند به راحتی در محیط‌هایی کار کنند که نیاز به مهارت، سازگاری و انعطاف‌پذیری بالایی دارند. علاوه بر این، سادگی ساختار آن‌ها، باعث شده تا فضای کمی را اشغال کنند. ظهور روبات‌های پیوسته راه را برای توسعه بازوهای رباتیک پیوسته نرم هموار کرده است. این بازوهای رباتیک پیوسته از موادی ساخته شده‌اند که انعطاف‌پذیر بوده و می‌توانند مطابق با محیط اطراف سازگار شود و تغییر شکل دهد. ویژگی نرم بودن مواد آن ها ایمنی بالاتری را در تعاملات انسان و ربات ایجاد می کند.

از دیگر مزایای فناوری‌های ربات پیوسته می‌توان به وزن کمتر و در عین حال ایجاد نیروی خروجی بیشتر در مقایسه با روبات های صلب اشاره کرد. این ویژگی باعث می شود بتوان ربات های پیوسته را به جای روی زمین، روی سقف نصب کرد. این کار باعث ایجاد ایمنی بالاتر هنگام استفاده در کارخانه‌هایی است که نیروی انسانی در کف کارخانه کار می‌کنند.

معایب و محدودیت ها

طراحی خاص ربات های پیوسته نیز چالش های زیادی را به همراه دارد. برای استفاده صحیح و ایمن از ربات‌های پیوسته، داشتن یک سیستم تشخیص نیرو و شکل دقیق بسیار مهم است. به طور سنتی، این کار با استفاده از دوربین‌هایی انجام می‌شود که برای برخی از کاربردهای ربات‌های پیوسته (مانند جراحی) مناسب نیستند، یا استفاده از حسگرهای الکترومغناطیسی، که با وجود اجسام مغناطیسی در محیط، مختل می‌شوند. برای حل این مشکل، در سال‌های گذشته، سنسورهای فیبر-براگ (fiber-Bragg-grating sensors) به عنوان یک جایگزین احتمالی پیشنهاد شده‌اند و نتایج امیدوارکننده‌ای را نشان داده‌اند.

همچنین می توان گفت ویژگی های مکانیکی ربات های گسسته با لینک های صلب به طور کامل درک شده است، اما درک رفتار و ویژگی های ربات های پیوسته هنوز موضوع مطالعه و بحث است. این امر چالش های جدیدی را در توسعه مدل های دقیق و الگوریتم های کنترلی برای این نوع ربات ها ایجاد می کند. بنابراین یک اشکال این فناوری، غیر خطی بودن و در نتیجه چالش برانگیزتر بودن کنترل نسبت به فناوری ربات های گسسته با لینک های صلب است که می تواند مانع قابل توجهی برای استفاده در صنایع باشد.

پست مشابه: معرفی ربات اسکارا و نحوه عملکرد آن