Stellen Sie sich vor, dass sich ein kontinuierlicher weicher Roboterarm um eine Weintraube oder einen Brokkoli beugt und seinen Griff in Echtzeit anpasst, während er das Objekt anhebt. Im Gegensatz zu herkömmlichen starren Robotern, die im Allgemeinen darauf abzielen, den Kontakt mit der Umwelt so weit wie möglich zu vermeiden und sich aus Sicherheitsgründen von Menschen fernzuhalten, nimmt dieser Arm subtile Kräfte wahr und streckt und beugt sich auf eine Weise, die eher der Nachgiebigkeit einer menschlichen Hand nachempfunden ist. Jede Bewegung ist so berechnet, dass übermäßiger Kraftaufwand vermieden und die Aufgabe effizient erledigt wird. In den Labors des MIT Pc Science and Synthetic Intelligence Laboratory (CSAIL) und des Laboratory for Data and Selections Programs (LIDS) sind diese scheinbar einfachen Bewegungen der Höhepunkt komplexer Mathematik, sorgfältiger Technik und einer Imaginative and prescient für Roboter, die sicher mit Menschen und empfindlichen Objekten interagieren können.
Weiche Roboter mit ihren verformbaren Körpern versprechen eine Zukunft, in der sich Maschinen nahtloser neben Menschen bewegen, bei der Pflege helfen oder in industriellen Umgebungen empfindliche Gegenstände handhaben. Doch genau diese Flexibilität macht es schwierig, sie zu kontrollieren. Kleine Biegungen oder Verdrehungen können unvorhersehbare Kräfte erzeugen und das Risiko von Schäden oder Verletzungen erhöhen. Dies motiviert den Bedarf an sicheren Steuerungsstrategien für Softroboter.
„Inspiriert durch Fortschritte bei der sicheren Steuerung und formalen Methoden für starre Roboter wollen wir diese Ideen auf die Delicate-Robotik übertragen – indem wir ihr komplexes Verhalten modellieren und den Kontakt einbeziehen, anstatt ihn zu vermeiden –, um leistungsstärkere Designs (z. B. größere Nutzlast und Präzision) zu ermöglichen, ohne auf Sicherheit oder verkörperte Intelligenz zu verzichten“, sagt der leitende Hauptautor und MIT-Assistenzprofessor Gioele Zardini, der leitender Forscher bei LIDS und der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen ist und eine angegliederte Fakultät des Instituts für ist Daten, Systeme und Gesellschaft (IDSS). „Diese Imaginative and prescient wird durch aktuelle und parallele Arbeiten anderer Gruppen geteilt.“
Sicherheit geht vor
Das Group entwickelte ein neues Framework, das nichtlineare Steuerungstheorie (Steuerung von Systemen mit hochkomplexer Dynamik) mit fortschrittlichen physikalischen Modellierungstechniken und effizienter Echtzeitoptimierung verbindet, um das zu erreichen, was sie „kontaktbewusste Sicherheit“ nennen. Im Mittelpunkt des Ansatzes stehen Kontrollbarrierefunktionen hoher Ordnung (HOCBFs) und Kontrollbarrierenfunktionen hoher Ordnung (HOCLFs). HOCBFs definieren sichere Betriebsgrenzen und stellen sicher, dass der Roboter keine unsicheren Kräfte ausübt. HOCLFs führen den Roboter effizient zu seinen Aufgabenzielen und sorgen dabei für ein Gleichgewicht zwischen Sicherheit und Leistung.
„Im Wesentlichen bringen wir dem Roboter bei, seine eigenen Grenzen zu kennen, wenn er mit der Umgebung interagiert, und gleichzeitig seine Ziele zu erreichen“, sagt Kiwan Wong, Doktorand am MIT Division of Mechanical Engineering und Hauptautor einer neuen Arbeit, die das Framework beschreibt. „Der Ansatz beinhaltet eine komplexe Ableitung der Delicate-Roboterdynamik, Kontaktmodelle und Kontrollbeschränkungen, aber die Spezifikation von Kontrollzielen und Sicherheitsbarrieren ist für den Praktiker ziemlich einfach und die Ergebnisse sind sehr greifbar, da man sieht, wie sich der Roboter reibungslos bewegt, auf Kontakt reagiert und niemals unsichere Situationen verursacht.“
„Im Vergleich zu herkömmlichen kinematischen CBFs – bei denen vorwärtsinvariante sichere Mengen schwer zu spezifizieren sind – vereinfacht das HOCBF-Framework das Barrierendesign und seine Optimierungsformulierung berücksichtigt die Systemdynamik (z. B. Trägheit) und stellt sicher, dass der Delicate-Roboter früh genug anhält, um unsichere Kontaktkräfte zu vermeiden“, sagt Wei Xiao, Assistenzprofessor am Worcester Polytechnic Institute und ehemalige CSAIL-Postdoktorandin.
„Seitdem es weiche Roboter gibt, hat das Fachgebiet ihre verkörperte Intelligenz und größere inhärente Sicherheit im Vergleich zu starren Robotern hervorgehoben, dank passiver Materials- und Strukturnachgiebigkeit. Doch ihre „kognitive“ Intelligenz – insbesondere Sicherheitssysteme – hinkt der von starren Manipulatoren mit serieller Verbindung hinterher“, sagt Co-Hauptautor Maximilian Stölzle, Forschungspraktikant bei Disney Analysis und ehemaliger Doktorand der Technischen Universität Delft sowie Gastforscher am MIT LIDS und CSAIL. „Diese Arbeit trägt dazu bei, diese Lücke zu schließen, indem bewährte Algorithmen an Delicate-Roboter angepasst und auf sicheren Kontakt und Delicate-Kontinuumsdynamik zugeschnitten werden.“
Das LIDS- und CSAIL-Group testete das System in einer Reihe von Experimenten, die die Sicherheit und Anpassungsfähigkeit des Roboters auf die Probe stellen sollten. In einem Take a look at drückte der Arm sanft gegen eine nachgiebige Oberfläche und behielt dabei eine präzise Kraft bei, ohne zu weit zu schießen. In einem anderen Fall zeichnete es die Konturen eines gekrümmten Objekts nach und passte seinen Griff an, um ein Abrutschen zu verhindern. In einer weiteren Demonstration manipulierte der Roboter zusammen mit einem menschlichen Bediener zerbrechliche Gegenstände und reagierte dabei in Echtzeit auf unerwartete Stöße oder Bewegungen. „Diese Experimente zeigen, dass unser Framework in der Lage ist, auf verschiedene Aufgaben und Ziele zu verallgemeinern, und dass der Roboter komplexe Szenarien erkennen, sich anpassen und handeln kann und dabei stets klar definierte Sicherheitsgrenzen einhält“, sagt Zardini.
An Orten, an denen viel auf dem Spiel steht, könnten Delicate-Roboter mit kontaktempfindlicher Sicherheit natürlich einen echten Mehrwert darstellen. Im Gesundheitswesen könnten sie bei Operationen hilfreich sein, indem sie präzise Manipulationen ermöglichen und gleichzeitig das Risiko für Patienten verringern. In der Industrie können sie ohne ständige Aufsicht mit zerbrechlichen Gütern umgehen. In häuslichen Umgebungen könnten Roboter bei Hausarbeiten oder Pflegeaufgaben helfen und sicher mit Kindern oder älteren Menschen interagieren – ein wichtiger Schritt, um weiche Roboter zu zuverlässigen Partnern in realen Umgebungen zu machen.
„Weiche Roboter haben ein unglaubliches Potenzial“, sagt Co-Hauptautorin Daniela Rus, Direktorin von CSAIL und Professorin am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik. „Aber die Gewährleistung der Sicherheit und die Codierung von Bewegungsaufgaben über relativ einfache Ziele conflict schon immer eine zentrale Herausforderung. Wir wollten ein System schaffen, bei dem der Roboter flexibel und reaktionsfähig bleiben kann und gleichzeitig mathematisch garantiert, dass er sichere Kraftgrenzen nicht überschreitet.“
Kombination von Delicate-Roboter-Modellen, differenzierbarer Simulation und Kontrolltheorie
Der Kontrollstrategie liegt eine differenzierbare Implementierung des sogenannten Piecewise Cosserat-Phase (PCS)-Dynamikmodells zugrunde, das vorhersagt, wie sich ein weicher Roboter verformt und wo sich Kräfte ansammeln. Mithilfe dieses Modells kann das System vorhersehen, wie der Körper des Roboters auf Betätigung und komplexe Interaktionen mit der Umgebung reagieren wird. „Der Aspekt, der mir an dieser Arbeit am besten gefällt, ist die Mischung aus der Integration neuer und alter Werkzeuge aus verschiedenen Bereichen wie fortschrittlichen Delicate-Roboter-Modellen, differenzierbarer Simulation, Lyapunov-Theorie, konvexer Optimierung und auf der Verletzungsschwere basierenden Sicherheitsbeschränkungen. All dies ist intestine in einen Echtzeit-Controller integriert, der vollständig auf Grundprinzipien basiert“, sagt Co-Autor Cosimo Della Santina, außerordentlicher Professor an der Technischen Universität Delft.
Ergänzt wird dies durch das Differentiable Conservative Separating Axis Theorem (DCSAT), das Abstände zwischen dem Delicate-Roboter und Hindernissen in der Umgebung schätzt, die mit einer Kette konvexer Polygone auf differenzierbare Weise angenähert werden können. „Frühere differenzierbare Abstandsmetriken für konvexe Polygone konnten entweder die Eindringtiefe nicht berechnen – wichtig für die Abschätzung der Kontaktkräfte – oder lieferten nicht konservative Schätzungen, die die Sicherheit beeinträchtigen könnten“, sagt Wong. „Stattdessen liefert die DCSAT-Metrik streng konservative und daher sichere Schätzungen und ermöglicht gleichzeitig eine schnelle und differenzierbare Berechnung.“ Zusammen geben PCS und DCSAT dem Roboter ein prädiktives Gespür für seine Umgebung für proaktivere und sicherere Interaktionen.
Mit Blick auf die Zukunft plant das Group, seine Methoden auf dreidimensionale Delicate-Roboter auszuweiten und die Integration mit lernbasierten Strategien zu untersuchen. Durch die Kombination von kontaktbewusster Sicherheit mit adaptivem Lernen könnten Softroboter mit noch komplexeren, unvorhersehbareren Umgebungen umgehen.
„Das macht unsere Arbeit spannend“, sagt Rus. „Man kann sehen, dass sich der Roboter menschenähnlich und vorsichtig verhält, aber hinter dieser Anmut verbirgt sich ein strenger Kontrollrahmen, der sicherstellt, dass er niemals seine Grenzen überschreitet.“
„Aufgrund der Nachgiebigkeit und der energieabsorbierenden Eigenschaften ihres Körpers ist die Interaktion mit weichen Robotern im Allgemeinen sicherer als mit starren Robotern“, sagt Daniel Bruder, Assistenzprofessor an der College of Michigan, der nicht an der Forschung beteiligt conflict. „Da weiche Roboter jedoch schneller, stärker und leistungsfähiger werden, reicht dies möglicherweise nicht mehr aus, um die Sicherheit zu gewährleisten. Diese Arbeit stellt einen entscheidenden Schritt dar, um sicherzustellen, dass weiche Roboter sicher arbeiten können, indem sie eine Methode zur Begrenzung der Kontaktkräfte über ihren gesamten Körper bietet.“
Die Arbeit des Groups wurde teilweise durch Stipendien des Hong Kong Jockey Membership, das Horizon Europe-Programm der Europäischen Union, den Cultuurfonds Wetenschapsbeurzen sowie den Rudge (1948) und Nancy Allen Chair unterstützt. Ihre Arbeit wurde Anfang dieses Monats im Institute of Electrical and Electronics Engineers veröffentlicht. Robotik- und Automatisierungsbriefe.