CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT MỀM 1.1 Tổng quan về robot mềm. Trong những năm gần đây, robot mềm đã trở thành một trong những chủ đề phát triển nhanh nhất trong cộng đồng robot và sự gia tăng trong giới học thuật cho thấy tiềm năng cách mạng hóa vai trò của robot trong xã hội và ngành công nghiệp. Mặc dù tương lai phi thường này, lĩnh vực nghiên cứu còn khá non trẻ. Theo một cuộc khảo sát tài liệu, thuật ngữ "robot mềm" lần đầu tiên được sử dụng cho một tay khí nén cứng, có một mức độ tuân thủ đối tượng nhất định do khả năng nén của khí.
Sau đó, robot mềm dần được sử dụng trong nhiều bài báo, bằng sáng chế, báo cáo và các tài liệu khoa học khác, nhưng vẫn đại diện cho robot hoặc máy tương tự được cấu tạo từ vật liệu cứng. Năm 2008, thuật ngữ “robot mềm” đã được thông qua để mô tả việc điều tra robot cứng với các khớp phù hợp, cũng như robot làm từ vật liệu mềm có tính linh hoạt, khả năng biến dạng và khả năng thích ứng quy mô lớn. Nguồn gốc của robot mềm thường bắt nguồn từ việc tạo ra robot ngoằn ngoèo vào cuối những thập niên 1960 [1] [2]. Những robot này sử dụng một số khớp nối gần nhau để mô phỏng evochuyển động của xương sống của một con rắn.
Các ví dụ bao gồm Orm, bao gồm một loạt các ống thổi điều khiển bằng khí nén [3] [4], và cánh tay căng [5], một robot điều khiển bằng cơ dành cho các ứng dụng dưới biển. Những điểm yếu của thiết kế liên tục vào thời điểm đó bao gồm tải trọng thấp, động học và động lực học kém, và độ chính xác kém, đã khiến cho những dự án nghiên cứu đầy hứa hẹn bắt đầu vào cuối những năm 1960 bị từ bỏ vào những năm 1970. Sự phát triển liên tục của robot mềm tái xuất hiện vào cuối những năm 1970 và tiếp tục trong suốt những năm 1980 và hơn thế nữa với công trình tiên phong của Hirose và nhóm của ông, những người đã phát triển nhiều thiết kế mới và sáng tạo, đặc biệt chú ý đến nguồn cảm hứng thu thập được từ các hệ thống sinh học. Phần lớn công việc này được tóm tắt trong [6].
Các máy thao tác liên tục trong công nghiệp được phát triển trong khoảng thời gian này bao gồm robot Spine, một robot phun sơn HVTH: Đặng Hoàng Minh Khoa - 1970607 1 CBHD: TS. Hồ Triết Hưng có độ khéo léo cao [6], trong khi các nỗ lực học thuật khác bao gồm việc tạo ra một máy thao tác giống như vòi sinh học [7]. Những tiến bộ đáng kể trong việc mô hình hóa robot mềm đã được thực hiện trong những năm 1990, bao gồm việc giới thiệu phương pháp tiếp cận theo phương thức thiết lập nền tảng lý thuyết cho robot mềm dựa trên việc ước lượng gần đúng hình dạng của robot mềm bằng cách sử dụng một cung toán học [8] [9] [10]. Những đóng góp đáng kể khác bao gồm mô hình hóa cơ học liên tục cơ bản của robot [11].
Ngoài ra, robot mềm tiếp tục được áp dụng trong nhiều ứng dụng mới và sáng tạo trong cả diễn đàn thương mại và nghiên cứu học thuật. Thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21 đã chứng kiến rất nhiều tiến bộ trong thiết kế, mô hình hóa và ứng dụng của người máy liên tục. Nhóm của Walker và các cộng sự [12]. Các lĩnh vực nghiên cứu hiện tại của nhiều nhóm bao gồm tiến bộ liên tục trong việc áp dụng lý thuyết dầm để tạo ra các mô hình ngày càng phức tạp của robot mềm [12] [13] và làm sáng tỏ các mô hình phân tích khác nhau đơn giản hóa, bao gồm xấp xỉ độ cong không đổi [13].
Nhiều ứng dụng thực tế cho robot mềm đã được đề xuất và/hoặc chứng minh (như trong Bảng 1), bao gồm thao tác dưới biển [14], sơn xe hơi [6], khử nhiễm hạt nhân [15], sửa chữa lò phản ứng hạt nhân [16], xử lý bể chứa chất thải [17], vận chuyển chất lỏng [18], chà nhám [17], kiểm tra môi trường phi cấu trúc và đường ống, và tìm kiếm cứu nạn. Robot mềm cũng đã tạo ra một tác động đáng kể trong y học. Một số lượng lớn các thiết bị y tế thường được sử dụng như ống thông tiểu và ống soi ruột kết có thể được coi là thiết bị liên tục. Mặc dù thường được áp dụng như các dụng cụ vận hành bằng tay, những nỗ lực đáng chú ý đã được thực hiện để tự động hóa các thiết bị này và các thiết bị liên tục khác cho phẫu thuật bao gồm kẹp [19], kim mềm [20], dụng cụ nội soi ổ bụng [21], nội soi khớp [22], cơ cấu điều khiển laser [23], và rất nhiều những ứng dụng khác.
Ví dụ về robot mềm được phát triển đặc biệt cho các ứng dụng phẫu thuật không trực tiếp bắt chước các thiết bị phẫu thuật hiện có bao gồm hệ thống phẫu thuật đa xương sống của Simaan và cộng sự [24]. Cardio Arm siêu linh hoạt của Choset và cộng sự [25], và ống thông hoạt động dạng ống đồng HVTH: Đặng Hoàng Minh Khoa - 1970607 2 CBHD: TS. Hồ Triết Hưng tâm của Webster và cộng sự cũng được mô tả trong dưới. Trong Bảng 1, "Sự khéo léo trong phẫu thuật" đề cập đến khả năng uốn cong hoặc điều hướng những thiết bị như truyền thống là thẳng như kim hoặc trục nội soi cứng, cho phép chúng xoay các góc bên trong cơ thể con người.
Các phân loại trước đây của robot mềm dựa trên phân loại của chúng dựa trên vị trí của tác động cơ học [26], về kiến trúc xương sống, khả năng mở rộng và tác động, hoặc trình bày một loạt các nguyên mẫu robot mềm [6]. Đánh giá về robot mềm trái ngược với robot cứng, siêu linh hoạt, liên tục cứng và robot mềm, đồng thời cung cấp tổng quan rộng hơn về robot lấy cảm hứng từ sinh học bao gồm robot cá, sao biển, thân cây, giun và các hình thức hiện thực hóa sáng tạo khác của robot mềm. Tất cả những điều trên là những cách hữu ích để phân loại robot mềm và robot siêu dự phòng, và tác giả lấy cảm hứng từ chúng khi biên soạn Bảng 1. Tuy nhiên, mục đích của tác giả ở đây không phải là phân loại toàn diện (do sự quan tâm nhanh chóng gần đây đối với robot mềm và siêu dự phòng, chẳng hạn như mục tiêu có lẽ sẽ là một thách thức nghiêm trọng), nhưng thay vào đó tác giả tìm cách minh họa sự đa dạng của các thiết kế mà ở đó độ cong không đổi về phía trước và động học vi phân mà tác giả mô tả trong phần còn lại của bài báo này có thể áp dụng được.
Ở đây, tác giả bỏ qua tập hợp con các robot siêu linh hoạt mà độ cong không đổi không được xem xét chính, bởi vì robot thường có các hình dạng khác hoặc vì các liên kết đủ dài để độ cong không đổi không phải là một phép gần đúng hữu ích. Điều này không nhằm mục đích làm giảm đi lớp robot rất hữu ích và các bài đánh giá về nhiều loại robot này, đặc biệt là những robot định vị theo cách giống như rắn. Đề tài Các tiêu chí phân loại Cơ cấu chấp hành cách nhau Cơ cấu chấp hành mỗi đoạn Liên tục/ không liên tục Cách kết nối các đoạn Bậc tự do mỗi đoạn Cơ cấu chấp hành Số đoạn robot ứng dụng Mở rộng Tensor arm KLT - 4 4 2 900 Mềm Đồng trục Cơ cấu ứng dụng dưới nước OC Robotics KLT - 5 3 2 1200 Mềm Phân phối đều Sửa chữa lò phản ứng hạt nhân Cơ cấu điều khiển dựa trên sinh Elephant trunk KLT - 4 4 2 900 Mềm/ lò xo Đồng trục vật Elephant trunk LT - 3 2 2 900 Mềm/ lò xo Đồng trục Vận chuyển chất lỏng HVTH: Đặng Hoàng Minh Khoa - 1970607 3 CBHD: TS. Hồ Triết Hưng EMMA KLT - 3 3 2 1200 Mềm/ lò xo Đồng trục Mài, ứng dụng trong hạt nhân Backbone LT - 1 1 1 1800 Mềm/ trục N/A ứng dụng chung Tentacle robot LT - 2 4 2 900 Mềm/ trục Đồng trục ứng dụng chung Arthroscope KLT - 1 1 2 1800 Mềm/ trục N/A Nội soi khớp Catheter LT x 2 2 3 900 Mềm/ trục Phân phối đều Phẫu thuật tim mạch Colobot LT x 1 3 3 1200 Khí nén N/A Nội soi đại tràng OctArm LT x 3 3 3 1200 Khí nén đơn ứng dụng chung Slim Slime 1 LT x 6 3 3 1200 Khí nén đơn Cứu nạn, cứu hộ Slim Slime 2 LT x 2 3 3 1200 Mềm/ khí nén Đồng trục Cứu nạn, cứu hộ Air-OCTOR LT x 2 3 3 1200 Mềm/ khí nén Phân phối đều ứng dụng chung KSI LT x 2 3 2 1200 Mềm/ khí nén Phân phối đều Khử độc phóng xạ Active catheter LT x 3 3 2 1200 Thủy lực Đơn Phẫu thuật tim mạch DDU LT x 3 3 2 1200 Thủy lực Đơn Phẫu thuật thanh quản Active cannula LT x 2n 1 2 - N ống cong N/A Phẫu thuật tế vi Beveled needle LT x ∞ 0 3 - Đầu kim/ mô Đơn Phẫu thuật tế vi Bảng 1 - Một số ví dụ về các thiết kế robot giống rắn đã được hoặc có thể được mô tả bằng cách sử dụng động học độ cong không đổi [6] [27] [26].
Bảng 1 minh họa sự đa dạng cơ học của robot liên tục có độ cong không đổi theo từng mảnh. Các xương sống có thể liên tục hoặc rời rạc và một số thiết kế bao gồm các xương sống có thể mở rộng. Robot hút chân không bao gồm nhiều phần được liên kết nối tiếp với nhau. Mỗi phần uốn cong với giữa một bậc tự do (DOF) (ví dụ: robot phẳng không thể uốn nắn) và ba bậc tự do (tức là robot có thể mở rộng có thể uốn cong khoảng hai trục mà không cần quay dọc trục).
Robot liên tục có thể nằm dưới hoặc quá mức, nghĩa là chúng có thể có ít hoặc nhiều bộ truyền động hơn DOF. Một ví dụ về thiết kế giảm giá trị phổ biến là thiết kế có cáp nằm cách trục trung tâm 90o (ví dụ: [13]). Một ví dụ về robot không bị giảm nhiệt là một ống thông tim sử dụng bốn dây để kích hoạt hai phần 3-DOF [28]. Nhiều chiến lược truyền động khác nhau có thể và đã được sử dụng, và một số robot được thiết kế để chỉ uốn cong trong một mặt phẳng, để cho phép nâng cao khả năng tải trọng hoặc để đơn giản hóa việc xác minh mô hình.
Cũng đã có một số cách tiếp cận để ghép nhiều phần lại với nhau (xem cột thứ hai từ bên phải trong Bảng 1).2 Phân loại trong lĩnh vực y tế.