Die Suche Schlange: Die nächste Welle In der Robotik

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Wie entwerfen man einen Roboter, der Manöver in drei Dimensionen und alle Arten von Gelände navigiert? Das sind die wichtigsten Herausforderungen, die Howie Choset an der Carnegie Mellon University, versucht zu bekämpfen.

Die meisten modernen Roboter Funktionen von einer festen oder mobilen Basis. Fahrwagen Reichweite weiter als eine feste Basis, doch die meisten aktuellen Roboterdesigns nicht zu helfen, einen Roboter durch eine dreidimensionale Landschaft zu manövrieren in einen Roboter.

Für einen Roboter, eine Vielzahl von Gelände zu navigieren würde im Idealfall ein Sensor oder Laser verwenden, um eine topographische Karte von Speicherplatz, planen Sie ihren Weg zu schaffen, wie wir unsere Augen und andere Sinne verwenden, um zu navigieren. Außerdem würde es internen Freiheitsgrade, um eine Reihe von verschiedenen Gangarten zu ermöglichen, um Hindernisse in seinem Weg zu überwinden besitzen. Ein Schlange Roboter hat zahlreiche Freiheitsgrade, die müssen aufeinander abgestimmt werden, bevor der Roboter bewegen kann.

Choset eine Partnerschaft auf ein Stipendium der National Science Foundation (NSF) mit Annette "Peko" Hossoi vom MIT Designa-Roboter, die nicht nur versteht, wie man seinen Weg durch jede Art von Gelände zu entwerfen, sondern verfügt über viele Freiheitsgrade für Bewegung. Choset glaubt, dass eine verbesserte verstehen der Fortbewegung für Mechanismen im anspruchsvollen Gelände betreiben von entscheidender Bedeutung ist.

Choset des vorherigen 1997 NSF CAREER Award, auf Sensor-basierte Karte für höchst Knickarmrobotern, der Rahmen für seine aktuelle Forschung geschaffen. Sensor-basierte Exploration kann einen Roboter geben einer unbekannten Umgebung und bauen eine Karte, um ihren Standort zu etablieren. Die Forschung integriert den Einsatz von Ultraschall-Sensoren, planen einen Weg zwischen zwei Punkten, so dass der Roboter erkunden konnte ungehindert.

"Es war ein Sprungbrett für eine Reihe anderer Probleme, die wir schließlich gerichtet, das erlaubt uns, die Schlange Roboter zu erreichen, die wir heute haben," sagte Choset.

Choset wurde zuerst um Robotertechnologien Schlange ausgesetzt – und deren Anwendungen für minimal-invasive Chirurgie und Suche und Rettung – als Doktorand am Caltech. Seine Berater Joel Burdick und Kollegen Doktorand Greg Chirikjian, begann ein Forschungsprogramm auf Schlange Roboter. Während am Caltech, Choset Beiträge zum Feld, und wurde er Mitglied der Fakultät an der Carnegie Mellon, brachte er das Forschungsprogramm mit.

Choset des aktuellen Schlange Roboter ist sehr wendig, flexibel und kann nutzen Sie eine Vielzahl von Bewegungen, nach vorne zu gelangen. Diese Eigenschaften ermöglichen den Roboter durch komplexe Umgebungen zu bewegen, die mit Hindernissen und Schutt überladen werden können. Die Schlange Roboter auch können thread durch dicht gepackten Räume und schwierigen Standorten, dass Menschen und konventionellen Maschinen nicht.

Neben der Vielzahl von Ortsveränderungen hinzugefügt Choset Sensoren, eine Kamera und ein Licht, so dass die Roboter-Schlange in einer Reihe von Bedingungen funktionieren kann.

"Die Art der Such- und Rettungsdienst, die mich interessieren ist auf engstem Raum, wie z. B. einem eingestürzten Gebäude oder zu mir." Ich hoffe, dass eines Tages mein Roboter werden in der Lage dieser Gebiete durchqueren und mein Roboter wäre, dass eine Tool, das Arbeiter zu retten, tragen würden", sagte Choset.

Neben der Anwendung für Such- und Rettungsaktionen entwickelte Choset eine andere Art von Schlange Roboter für minimal-invasive Herzchirurgie, bekannt als ein CardioArm. Es ist.4 Zoll (11 Millimeter) im Durchmesser und hat ein völlig anderen Mechanismus als die Lokomotive Schlange Roboter entwickelt für Suche und Rettung.

CardioArm erfolgt über einen Computer und einen Joystick, und während einer Herzoperation es tritt durch einen einzigen Punkt in der Brust und umfließt das Herz, bis es den Problembereich erreicht. Sein Hauptzweck ist zu suchen und beschädigtes Gewebe zu entfernen, und weil es flexibel und starr ist, kann es äußerst effektiv für diese Art von Verfahren erweisen.

"So haben wir eine epicardial Zuordnung des Herzens," meinte Choset. "Es hat den Patienten geholfen, weil der Patient nicht geknackt Brust geöffnet bekommen. Die Operation, die sie im Februar letzten Jahres hatte, hätte sie es getan die herkömmliche Weise, sie würde immer noch von der Verwüstung des Habens sie erholt Brust geknackt öffnen. Stattdessen ging sie nach Hause am nächsten Tag."

Was auch war die Chirurgie einzigartig, dass eine Kardiologe der Eingriff durchgeführt. In der Vergangenheit, die einzige Chirurgen diese Art von Verfahren, aber die chirurgischen Schlange hätte Roboter erlaubt jemand mit weniger Training und weniger Ressourcen, um die epicardial Zuordnung erfolgreich abgeschlossen.

Darüber hinaus unter Berufung auf Sensoren, durch den Raum zu navigieren, muss ein Roboter durch anspruchsvolles Gelände frei bewegen. Choset und seine Forschungsgruppe entwickeln eine Vielzahl von Gangarten ermöglicht den Schlange Roboter, jedes Hindernis zu überwinden.

"Einer der größten Beiträge, die meine Forschungsgruppe gemacht hat wurde bei der Festlegung der Gangarten," sagte Choset. "Eine Gang ist Art von einem Motion-Controller-wenn ein Pferd trabt, seine Knöchel, Knie und Hüften machst irgendeine Art von Bewegung, die es nach vorne treibt. Durch gewisse Geschwindigkeit, wenn es es noch galoppiert hat eine innere Bewegung und die innere Bewegung, die es erfährt ganz anders für eine andere Anwendung wie geht nach vorn und über Hindernisse springen."

Schlange Roboter unterscheiden sich von herkömmlichen Roboter, weil sie ohne die Hilfe von einem festen Ort bewegen. Im Wesentlichen sie beruhen entweder auf einen bewegenden Lauffläche oder Haut, oder ihre interne Form ändert, um vorwärts zu treiben. Choset der Schlange Roboter setzt ausschließlich auf interne Formänderungen zu bewegen. Es ist die interne Bewegungen und Gelenkwinkel, die Chosets Arbeitsgruppe zur Entwicklung einer Reihe von verschiedenen Gangarten erlaubt haben.

Choset und seine Kollegen ließen sich mehrere biologische Schlange Gangarten für ihren Roboter so anzupassen, dass es eine Vielzahl unterschiedlicher Umgebungen bewältigen kann. Die wichtigste Gangart ermöglicht der Schlange nach vorne in eine lineare Progression, aber diese Gangart kann auch Hindernisse sowie klettern. Vorwärtsschlängelnden ist eine biologische Gangart, die bewirkt, die Schlange Roboter seitwärts bewegen und haben einen größeren Platzbedarf dass, so dass die Schlange über große Hindernisse bewegen. Schließlich ist die häufigste Form der Fortbewegung in Schlangen seitliche Wellenbewegung, die Choset und seine Kollegen ausgeliehen, so dass eine aquatische Version des Roboters schwimmen konnte.

"Mein Roboter kann schwimmen in einen Splitter, gegen einen Zaun, eine Fahnenstange zu klettern, kriechen durch Rasen, Reiten auf Büschen. Es gibt eine ganze Reihe von Dingen kann es tun "sagte Choset.

Choset erhielt vor kurzem einen zusätzliche NSF-Zuschuss zur Entwicklung eines Projekts zur Verwendung robotische Exploration in den Mersa/Wadi Gawasis archäologischen Stätten in Hurghada, Ägypten. Dazu gehört eine langfristige Zusammenarbeit mit Kathryn Bard der Boston University und Mohamed Abd El Maguid, marine Archäologe an der ägyptischen Supreme Council of Antiquities, die Roboter verwendet, um Regionen von archäologischen Interesse zu überprüfen, die für Menschen zu gefährlich sind. Viele der künstlichen Höhlen, die die Archäologen erforschen möchten wurden verwendet, um Stücke von alten Schiffen, zu speichern, die von historischer Bedeutung sein kann.

Choset und seine Kollegen unterstützen die Archäologen durch Senden des Schlange Roboters in die Höhlen zu identifizieren und Artefakte abzurufen. Die Schlange Roboter werden als Werkzeuge verwendet werden, welche Archäologen nutzen, um nicht nur fragile historische Stätten erkunden, sondern jede Störung zu minimieren.

Während der Roboter die Sehenswürdigkeiten erkunden, werden sie eine Karte, bietet eine dreidimensionale Ansicht des Standortes zu konstruieren. Die Karte können Archäologen und der breiten Öffentlichkeit nahezu einen Ort von großem nationalen Interesse besuchen und potenziell Robotik für eine neue Anwendung zu öffnen.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt von der National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.