새로운 제어 시스템은 소프트 로봇에게 안전을 유지하는 방법을 가르칩니다.

연속적인 부드러운 로봇 팔이 포도나 브로콜리 다발 주위를 구부리고 물체를 집어들면서 실시간으로 그립을 조정하는 것을 상상해 보세요. 일반적으로 가능한 한 환경과의 접촉을 피하고 안전상의 이유로 인간과 멀리 떨어져 있는 것을 목표로 하는 기존의 견고한 로봇과 달리 이 손은 인간 손의 순응을 더 모방하는 방식으로 미세한 힘, 스트레칭 및 굴곡을 감지합니다. 모든 움직임은 작업을 효율적으로 완료하면서 과도한 힘을 피하도록 계산됩니다. MIT CSAIL(컴퓨터 과학 및 인공 지능 연구소) 및 LIDS(정보 및 의사 결정 시스템 연구소) 연구소에서는 겉보기에 단순해 보이는 이러한 활동이 복잡한 수학, 신중한 엔지니어링, 인간 및 섬세한 물체와 안전하게 상호 작용할 수 있는 로봇에 대한 비전의 정점입니다.

변형 가능한 몸체를 갖춘 소프트 로봇은 기계가 사람과 함께 더욱 원활하게 움직이고, 관리를 돕거나 산업 환경에서 섬세한 물체를 다루는 미래를 약속합니다. 그러나 동일한 유연성으로 인해 제어하기가 어렵습니다. 작은 회전이나 회전은 예상치 못한 힘을 발생시켜 손상이나 부상의 위험을 증가시킬 수 있습니다. 이는 소프트 로봇에 대한 안전한 제어 전략의 필요성을 동기를 부여합니다.

“강성 로봇에 대한 안전한 제어 및 형식적 방법의 발전에서 영감을 받아 우리의 목표는 이러한 아이디어를 소프트 로봇 공학에 적용하여 복잡한 동작을 모델링하고 접촉을 피하는 대신 포용하여 안전이나 구체화된 지능을 희생하지 않고 고성능 설계(예: 더 큰 페이로드 및 정밀도)를 가능하게 하는 것입니다.”라고 LIDS 및 토목 및 환경 공학부의 수석 연구원이자 수석 저자이자 MIT 조교수인 Giulio Jardini는 말합니다. 연구소 소속 교수진이 있습니다. 데이터, 시스템 및 사회(IDSS). “이 견해는 다른 그룹의 최근 및 병행 작업에서 공유됩니다.”

안전 제일

팀은 비선형 제어 이론(매우 복잡한 역학을 포함하는 제어 시스템)과 고급 물리적 모델링 기술 및 효율적인 실시간 최적화를 결합한 새로운 프레임워크를 개발했으며 이를 “접촉 인식 보안”이라고 합니다. 이 접근 방식의 핵심은 고차 제어 장벽 기능(HOCBF)과 고차 제어 리아푸노프 기능(HOCLF)입니다. HOCBF는 안전한 작동 한계를 정의하여 로봇이 불안전한 힘을 가하지 않도록 합니다. HOCLF는 안전과 성능의 균형을 맞추면서 로봇을 작업 목표에 맞게 효율적으로 안내합니다.

“기본적으로 우리는 목표를 달성하면서 환경과 상호 작용할 때 로봇의 한계를 알도록 로봇을 가르치고 있습니다”라고 프레임워크를 설명하는 새 논문의 주요 저자이자 MIT 기계 공학과 박사 과정 학생인 Kiwan Wong은 말합니다. “이 접근 방식에는 소프트 로봇 역학, 접촉 모델 및 제어 제약 조건의 복잡한 파생이 포함되지만 제어 목표 및 안전 제약 조건의 사양은 실무자에게 매우 간단하며 로봇이 부드럽게 움직이고 접촉에 반응하며 결코 위험한 상황을 만들지 않는 것을 볼 수 있으므로 결과는 매우 명확합니다.”

“순방향 불변 안전 세트를 지정하기 어려운 전통적인 운동학 CBF와 비교하여 HOCBF 프레임워크는 장애물 설계를 단순화하고 최적화 공식은 시스템 역학(예: 관성)을 고려하여 소프트 로봇이 안전하지 않은 접촉 힘을 피할 수 있을 만큼 일찍 멈추도록 보장합니다”라고 Worcester Polytechnic Institute의 전 CSAIL 박사후 연구원이자 조교수인 Wei Xiao는 말합니다.

“소프트 로봇이 등장한 이후 이 분야에서는 수동적 재료 및 구조적 규정 준수로 인해 강성 로봇에 비해 구현된 지능과 더 높은 고유 안전성이 강조되었습니다. 그러나 “인지” 지능, 특히 안전 시스템은 강성 직렬 링크 조작기보다 뒤떨어져 있습니다.”라고 공동 저자이자 Disney Research의 연구원이자 이전에 Delft University of Technology 및 MIT LIDS의 박사 과정 학생이었던 Maximilian Stölzle은 말했습니다. 그리고 CSAIL의 방문 연구원은 말합니다. “이 작업은 검증된 알고리즘을 소프트 로봇에 적용하고 안전한 상호 작용과 소프트 연속체 이동성을 준비함으로써 이러한 격차를 해소하는 데 도움이 됩니다.”

LIDS와 CSAIL 팀은 로봇의 안전성과 적응성에 도전하기 위해 고안된 일련의 실험을 통해 시스템을 테스트했습니다. 한 테스트에서 팔은 부착 표면에 부드럽게 압력을 가하여 오버슛 없이 정확한 힘을 유지했습니다. 또 다른 하나는 구부러진 물체의 모양을 추적하여 미끄러지지 않도록 그립을 조정했습니다. 또 다른 시연에서는 로봇이 인간 조작자와 함께 섬세한 물체를 조작하면서 예상치 못한 움직임이나 변화에 실시간으로 반응했습니다. “이러한 실험은 우리의 프레임워크가 다양한 작업과 목적으로 일반화될 수 있으며, 로봇이 명확하게 정의된 안전 경계를 항상 존중하면서 복잡한 시나리오를 이해하고, 적응하고, 행동할 수 있다는 것을 보여줍니다.”라고 Zardini는 말합니다.

접촉 인식 보안 기능을 갖춘 소프트 로봇은 확실히 위험도가 높은 위치에서 실질적인 부가 가치가 될 수 있습니다. 의료 분야에서는 환자의 위험을 줄이면서 정확한 조작을 제공하여 수술을 지원할 수 있습니다. 업계에서는 지속적인 감독 없이 민감한 품목을 다룰 수도 있습니다. 가정 환경에서 로봇은 작업이나 돌봄 작업을 돕고 어린이나 노인과 안전하게 상호 작용할 수 있습니다. 이는 실제 환경에서 소프트 로봇을 신뢰할 수 있는 파트너로 만드는 중요한 단계입니다.

CSAIL의 이사이자 전기 공학 및 컴퓨터 과학과의 교수이자 공동 수석 저자인 Daniela Rus는 “소프트 로봇은 놀라운 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. “그러나 상대적으로 간단한 목표를 통해 안전과 인코딩 속도 기능을 보장하는 것은 항상 중요한 과제였습니다. 우리는 로봇이 유연하고 반응성을 유지할 수 있으면서도 안전 힘 한계를 초과하지 않는다는 것을 수학적으로 보장할 수 있는 시스템을 만들고 싶었습니다.”

이산 시뮬레이션과 제어 이론을 결합한 소프트 로봇 모델입니다.

제어 전략 뒤에는 소프트 로봇이 어떻게 변형되고 힘이 축적되는 위치를 예측하는 PCS(Piecewise Coseret-Segment) 역학 모델이라는 다른 구현이 있습니다. 이 모델을 통해 시스템은 로봇 본체가 작동 및 환경과의 복잡한 상호 작용에 어떻게 반응할지 예측할 수 있습니다. “이 작업에서 제가 가장 좋아하는 점은 고급 소프트 로봇 모델, 차동 시뮬레이션, Lyapunov 이론, 볼록 최적화 및 부상 심각도 기반 안전 제약 조건과 같은 다양한 영역에서 나온 새로운 도구와 기존 도구의 통합이 혼합되어 있다는 것입니다.”라고 공동 저자이자 Delft University of Technology의 부교수인 Cosimo Della Centina는 말합니다.

이를 보완하는 것은 미분 보존 분리 축 정리(DCSAT)로, 일련의 볼록 다각형을 다른 방식으로 근사화할 수 있는 환경 내 소프트 로봇과 장애물 사이의 거리를 추정합니다. “볼록 다각형에 대한 이전 거리 측정법은 접촉력을 추정하는 데 필요한 침투 깊이를 계산할 수 없었거나 안전을 손상시킬 수 있는 비보수적인 추정치를 산출했습니다.”라고 Wong은 말합니다. “대신 DCSAT 측정항목은 엄격하게 보수적이므로 안전한 추정치를 제공할 뿐만 아니라 빠르고 이산적인 계산도 가능합니다.” PCS와 DCSAT는 함께 로봇에게 보다 적극적이고 안전한 상호 작용을 위해 환경에 대한 예측 감각을 제공합니다.

앞으로 팀은 방법을 3차원 소프트 로봇으로 확장하고 학습 기반 전략과의 통합을 탐색할 계획입니다. 접촉 인식 보안과 적응형 학습을 결합함으로써 소프트 로봇은 훨씬 더 복잡하고 예측할 수 없는 환경을 처리할 수 있습니다.

“이것이 바로 우리 작업을 흥미롭게 만드는 이유입니다.”라고 Roos는 말합니다. “로봇이 인간처럼 조심스럽게 행동하는 것을 볼 수 있지만, 그 우아함 뒤에는 절대 한계를 넘지 않도록 하는 엄격한 제어 프레임워크가 있습니다.”

연구에 참여하지 않은 미시간 대학의 조교수 Daniel Bruder는 “신체의 순응성과 에너지 흡수 특성으로 인해 소프트 로봇은 일반적으로 설계상 강체 로봇보다 상호 작용하는 것이 더 안전합니다.”라고 말했습니다. “그러나 소프트 로봇이 더 빠르고 강해지고 유능해짐에 따라 이것만으로는 더 이상 안전을 보장하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 이 연구는 몸 전체의 접촉력을 제한하는 방법을 제공함으로써 소프트 로봇이 안전하게 작동할 수 있도록 보장하는 중요한 단계입니다.”

팀의 작업은 부분적으로 홍콩 자키 클럽 장학금, 유럽 연합의 Horizon 유럽 프로그램, Kulturfonds Wetenschapsbeurzen, Rouge(1948) 및 Nancy Allen Chair의 지원을 받았습니다. 그들의 연구는 이번 달 초 전기전자공학협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers)에 게재되었습니다. 로봇공학 및 자동화 논문.