덩굴에서 영감을 받은 로봇 그리퍼는 무겁고 깨지기 쉬운 물체를 부드럽게 들어올립니다.

원예 세계에서는 일부 덩굴이 특히 매력적입니다. 자라면서 나무의 덩굴손은 울타리와 나무 전체를 무너뜨릴 만큼 충분한 힘으로 장애물을 삼킬 수 있습니다.

덩굴의 뒤틀린 강인함에서 영감을 받아 MIT와 스탠포드 대학의 엔지니어들은 유리 꽃병, 수박 등 다양한 물체를 이동하고 집을 수 있는 로봇 그리퍼를 개발하여 기존 그리퍼 디자인보다 더 부드러운 접근 방식을 제공합니다. 더 큰 버전의 Robo-Tendrils는 사람을 침대에서 안전하게 들어올릴 수 있습니다.

새로운 로봇은 대상 물체 근처에 위치한 가압 상자로 구성되어 있으며, 양말이 뒤집어지는 것처럼 긴 종 모양의 튜브가 팽창하고 팽창합니다. 덩굴이 팽창하면서 물체 주위를 비틀고 감은 후 상자로 돌아옵니다. 상자에서 자동으로 접착되고 기계적으로 뒤로 감겨져 부드럽고 슬링 같은 그립으로 물체를 부드럽게 들어올립니다.

연구진은 벨 로봇이 무겁고 깨지기 쉬운 다양한 물체를 안전하고 안정적으로 들어올릴 수 있음을 입증했습니다. 로봇은 또한 좁은 공간과 어수선한 곳을 탐색하여 원하는 물체에 도달하고 캡처할 수 있습니다.

팀은 이러한 유형의 로봇 그리퍼가 농업 수확부터 무거운 화물의 적재 및 하역에 이르기까지 다양한 시나리오에서 사용될 수 있다고 생각합니다. 가까운 미래에 이 그룹은 부드러운 팽창식 로봇 덩굴이 사람을 침대에서 부드럽게 들어 올리는 데 도움이 될 수 있는 노인 간호 환경에서의 응용을 모색하고 있습니다.

MIT 기계공학과 박사과정생인 Kentaro Barheidt는 “사람을 침대에서 나오게 하는 것은 간병인이 하는 가장 육체적으로 힘든 일 중 하나입니다”라고 말합니다. “이런 종류의 로봇은 간병인의 부담을 덜어주고, 환자에게 더 부드럽고 편안함을 줄 수 있습니다.”

Barheidt는 공동 제1저자인 O. Godson, Oisele 및 그의 동료들과 함께 오늘 Nature 저널에 새로운 로봇 디자인을 발표했습니다. 과학 발전. 연구 공동 저자인 MIT의 포드 공학 교수인 Harry Asada, 스탠포드 대학교의 공학과 교수인 Allison Okamura, 스탠포드 대학교의 Srila Kodali 및 Cosmia du Pasquier, 그리고 현재 플로리다 대학교 게인스빌에 있는 전 MIT 대학원생 Chase Hartquist.

열림과 닫힘

Okamura가 이끄는 팀의 스탠포드 동료들은 팁으로 바깥쪽으로 자라는 부드러운 덩굴에서 영감을 얻은 로봇 개발을 개척했습니다. 이러한 디자인은 주로 제어된 공기 압력에 따라 팽창하고 팽창하는 얇지만 강한 공압 튜브로 구성됩니다. 튜브가 성장함에 따라, 튜브는 주변 환경을 통과하여 뒤틀리고, 뒤틀리고, 비좁고 무질서한 공간으로 비집고 들어갈 수 있습니다.

연구원들은 주로 보안 검사와 수색 및 구조 작업에 사용하기 위해 벨 로봇을 연구해 왔습니다. 그러나 노인을 위한 로봇 보조 장치를 개발한 MIT의 Barheidt와 Asada는 벨에서 영감을 받은 로봇이 노인 간호의 문제, 특히 사람을 침대에서 안전하게 들어 올리는 문제를 해결할 수 있는지 궁금해했습니다. 종종 간호 및 재활 환경에서 이러한 이송 과정은 간병인이 작동하는 환자 리프트를 통해 수행됩니다. 간병인은 먼저 환자를 옆으로 눕힌 다음 다시 해먹과 같은 시트 위에 올려 놓아야 합니다. 간병인은 환자 주위에 시트를 묶고 기계식 리프트에 부착합니다. 그러면 해먹이나 슬링에 매달리는 것과 유사하게 환자를 침대 밖으로 부드럽게 들어 올릴 수 있습니다.

MIT와 스탠포드 팀은 대안으로 종 모양의 로봇이 간병인이 환자를 물리적으로 움직일 필요 없이 환자 아래와 주위를 부드럽게 움직일 수 있는 것을 구상했습니다. 그러나 슬링을 들어 올리려면 연구원들은 기존 Bell 로봇 설계에서 누락된 요소를 추가해야 한다는 것을 깨달았습니다. 즉, 본질적으로 루프를 닫아야 한다는 것입니다.

대부분의 덩굴에서 영감을 받은 로봇은 “개방 루프” 시스템으로 설계되었습니다. 즉, 다양한 구성으로 확장 및 구부릴 수 있는 개방형 끈으로 기능하지만 폐쇄 루프를 형성하기 위해 스스로를 고정하도록 설계되지는 않았습니다. 벨 로봇이 개방형 루프에서 폐쇄형 루프로 변경될 수 있다면 Barheidt는 로봇이 물체 주위의 슬링 형태를 형성하고 무엇이든 또는 누구든지 잡고 끌어당길 수 있다고 추측했습니다.

새로운 연구를 위해 Barheidt, Oisele 및 동료들은 개방 루프 동작과 폐쇄 루프 동작을 모두 결합한 새로운 덩굴에서 영감을 받은 로봇 그리퍼의 설계를 개략적으로 설명했습니다. 개방형 루프 구성에서는 로봇 덩굴이 물체 주위로 자라고 회전하여 강력한 그립을 형성할 수 있습니다. 심지어 침대에 누워 있는 사람 밑으로 침투할 수도 있습니다. 일단 고정이 이루어지면 덩굴은 계속해서 다시 자라서 근원에 부착되어 닫힌 고리를 형성하고 그 후 뒤로 물러나 물체를 회수할 수 있습니다.

Barheidt는 “사람들은 무언가를 잡으려면 손을 뻗어서 잡는다고 생각할 수 있습니다.”라고 말합니다. “그러나 위치 지정 및 유지와 같은 뚜렷한 단계가 있습니다. 개방형 루프와 폐쇄형 루프를 번갈아 사용함으로써 각 단계에 대해 두 형태의 이점을 활용하여 새로운 수준의 성능을 달성할 수 있습니다.”

부드러운 서스펜션

새로운 개방형 및 폐쇄형 루프 개념을 시연하기 위해 팀은 사람을 침대에서 안전하게 들어올릴 수 있도록 설계된 대규모 로봇 시스템을 구축했습니다. 이 시스템은 오버헤드 바의 양쪽 끝에 장착된 가압 상자 세트로 구성됩니다. 상자 내부의 공기 펌프가 천천히 팽창하여 침대 머리와 발을 향해 아래로 뻗어 있는 얇은 종 모양의 튜브를 엽니다. 튜브를 해당 상자로 다시 끌어당기기 전에 사람 아래 및 주위에서 튜브를 부드럽게 작동하도록 공기압을 제어할 수 있습니다. 그런 다음 덩굴을 각 상자에 고정하는 클램핑 메커니즘을 통해 덩굴을 통과시킵니다. 도르래가 덩굴을 상자 쪽으로 다시 돌리면서 그 과정에서 사람을 부드럽게 들어올립니다.

Asada는 “인체와 같이 무겁지만 섬세한 물체는 현재 사용 가능한 로봇 손으로 잡기가 어렵습니다.”라고 말합니다. “우리는 물체를 감싸서 부드럽고 안전하게 매달 수 있는 덩굴 모양의 성장 가능한 로봇 그리퍼를 개발했습니다.”

공동 저자인 Oselle은 “저 밖에는 전체 디자인 공간이 있습니다. 우리는 이 작업이 공동 작업자에게 영감을 주어 계속 탐색할 수 있기를 바랍니다.”라고 말했습니다. “저는 특히 의료 분야에서 환자 이송 응용 프로그램에 대한 영향을 기대하고 있습니다.”

공동 저자인 Okamura는 “이러한 로봇을 사용하여 이동성 문제가 있는 사람들을 물리적으로 지원하는 향후 작업이 매우 기대됩니다.”라고 말합니다. “휴머노이드 로봇과 같은 다른 접근 방식과 달리 소프트 로봇은 상대적으로 안전하고 비용이 저렴하며 특정 인간 요구에 가장 잘 설계될 수 있습니다.”

팀의 디자인은 노인을 돌보는 어려움에서 영감을 얻었지만, 연구원들은 새로운 디자인이 다른 이해 가능한 작업을 수행하는 데에도 적용될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 대규모 시스템 외에도 상용 로봇 팔에 부착할 수 있는 소형 버전도 만들었습니다. 이 버전을 통해 팀은 벨 로봇이 수박, 유리 꽃병, 주전자 벨, 금속 막대 더미, 놀이터 공 등 다양하고 무겁고 섬세한 물체를 잡고 들어 올릴 수 있음을 보여주었습니다. 덩굴은 또한 원하는 항목을 검색하기 위해 정리되지 않은 쓰레기 사이를 기어 다닐 수도 있습니다.

Barheidt는 “이런 종류의 로봇 설계는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다고 생각합니다.”라고 말했습니다. “우리는 이를 중공업 분야나 항만과 창고의 크레인 작업 자동화 등에 적용하는 방안도 고려하고 있습니다.”

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)과 포드 재단(Ford Foundation)의 일부 지원을 받았습니다.