SMA-Based Muscle-Like Actuation in Biologically Inspired Robots: A State of the Art Review

New actuation technology in functional or "smart" materials has opened new horizons in robotics actuation systems. Materials such as piezo-electric fiber composites, electro-active polymers and shape memory alloys (SMA) are being investigated as promising alternatives to standard servomotor technology [52]. This paper focuses on the use of SMAs for building muscle-like actuators. SMAs are extremely cheap, easily available commercially and have the advantage of working at low voltages. The use of SMA provides a very interesting alternative to the mechanisms used by conventional actuators. SMAs allow to drastically reduce the size, weight and complexity of robotic systems. In fact, their large force-weight ratio, large life cycles, negligible volume, sensing capability and noise-free operation make possible the use of this technology for building a new class of actuation devices. Nonetheless, high power consumption and low bandwidth limit this technology for certain kind of applications. This presents a challenge that must be addressed from both materials and control perspectives in order to overcome these drawbacks. Here, the latter is tackled. It has been demonstrated that suitable control strategies and proper mechanical arrangements can dramatically improve on SMA performance, mostly in terms of actuation speed and limit cycles

Towards Fault Diagnosis in Reconfigurable Robot

東京電機大学201

Plantoid: plant inspired robot for subsoil exploration and environmental monitoring

La Biorobotica è un nuovo approccio nella realizzazione di robot che unisce diverse discipline come Robotica e Scienze Naturali. Il concetto di Biorobotica è stato identificato per molti anni come ispirazione dal mondo animale. In questa tesi, questo paradigma è stato esteso per la prima volta al mondo vegetale. Le piante sono un organismo affascinante con inaspettate capacità. Sono organismi dinamici e altamente sensibili, in grado di esplorare il terreno alla ricerca di nutrienti e di valutare con precisione la loro situazione per una gestione ottimale delle risorse. L'obiettivo di questa tesi è di contribuire alla realizzazione di un robot ispirato alle piante, un plantoide. Il robot plantoide comprende sistemi di radici e rami e deve essere in grado di monitorare l'ambiente sia in aria sia nel sottosuolo. Questi robot ispirati alle piante saranno utilizzati per applicazioni specifiche, come il monitoraggio in situ di parametri chimici, la ricerca di acqua in agricoltura, l'ancoraggio e per la comprensione scientifica delle capacità e comportamenti delle piante stesse mediante la costruzione di modelli fisici. In questa tesi sono stati affrontati diversi aspetti di questa innovativa piattaforma robotica: prima di tutto, lo studio delle piante, le caratteristiche e le tecnologie che consentono di progettare e sviluppare il sistema robotico. Il sistema proposto può essere facilmente suddiviso in due sezioni principali, la parte aerea e la parte radicale (che sta nel sottosuolo). Per la parte che si trova nel sottosuolo, l'attività è stata incentrata sulla realizzazione di un sistema meccatronico miniaturizzato che imita il comportamento dell’apice radicale della pianta. Le piante mostrano una peculiare direzione crescita in risposta a stimoli esterni, come la luce (phototropism), la gravità (gravitropism), il tatto (thigmotropism) o il gradiente di umidità (hydrotropism). I tropismsi spesso interagiscono tra loro, e la crescita finale della pianta è influenzata da tali interazioni. Al fine di imitare le potenti prestazioni del sistema radicale delle piante, un nuovo attuatore è stato proposto. Questo attuatore è basato sul principio osmotico (attuatore osmotico) e, diversamente dagli attuatori allo stato dell’arte basati sul principio osmotico, è stato progettato in modo da avere una reazione reversibile. Questo attuatore permette di eseguire l'allungamento e il direzionamento dell’ apice radicale, generando elevate forze con un basso consumo di energia (con movimenti nella scala temporale della pianta). Studi teorici su questo attuatore mostrano interessanti prestazioni in termini di pressione di attuazione (superiore a 20 atm), con potenza nell'ordine di alcuni mW e con tempi di attuazione nell’ordine delle ore. L’apice radicale robotico è stato progettato per essere dotato di sensori (gravità e umidità) per imitare le capacità di analisi delle piante, e con l’attuatore osmotico per guidare la crescita nella direzione corretta. Un microcontrollore integrato controlla il comportamento e il direzionamento sulla base delle informazioni provenienti dai sensori. Riguardo la parte aerea, l'attività in questa tesi è stata incentrata sulla realizzazione di una sorta di modulo di monitoraggio ambientale, al fine di imitare l'elevata capacità sensoristica delle piante. Questa parte è stata progettata e realizzata in un modo più tradizionale, senza tentare di imitare completamente il comportamento delle piante, ma prendendo ispirazione dalle caratteristiche fondamentali (recupero dell’energia, ampia capacità di monitoraggio e comunicazione). Al fine di integrare una vasta quantità di sensori, è stata sviluppata un’innovativa interfaccia che garantisce il condizionamento di sensori, con capacità plug-and-play e basso consumo energetico. Diversi aspetti del plantoid non sono ancora stati affrontati e saranno parte dei lavori futuri. In particolare, il meccanismo di crescita delle radici (alcune possibili soluzioni sono state proposte e spiegate in questa tesi) e l'integrazione di sensori chimici nell’apice radicale.Biorobotics is a novel approach in the realization of robot that merges different disciplines as Robotic and Natural Science. The concept of biorobotics has been identified for many years as inspiration from the animal world. In this thesis this paradigm has been extended for the first time to the plant world. Plants are an amazing organism with unexpected capabilities. They are dynamic and highly sensitive organisms, actively and competitively foraging for limited resources both above and below ground, and they are also organisms which accurately compute their circumstances, use sophisticated cost–benefit analysis, and take defined actions to mitigate and control diverse environmental insults. The objective of this thesis is to contribute to the realization of a robot inspired to plants, a plantoid. The plantoid robot includes root and shoot systems and should be able to explore and monitoring the environment both in the air and underground. These plant-inspired robots will be used for specific applications, such as in situ monitoring analysis and chemical detections, water searching in agriculture, anchoring capabilities and for scientific understanding of the plant capabilities/behaviours themselves by building a physical models. The scientific work performed in this thesis addressed different aspects of this innovative robotic platform development: first of all, the study of the plants‟ characteristics and the enabling technologies in order to design and to develop the overall plantoid system. The proposed system can be easily sub-divided in two major sections, the aerial part and the subsoil part. About the subsoil part, the activity focused on the realization of a miniaturized mechatronic system that imitates the behaviour of the plant radical apex. Plants show a peculiar directional growth in response to external stimulations, such as light (phototropism), gravity (gravitropism), touch (thigmotropism) or water/humidity gradient (hydrotropism). Tropisms frequently interact between and among each other, and the final grown form of the plant is influenced by such interactions. In order to imitate the powerful performances of the plant root system, a novel actuator has been proposed. This actuator is based on the osmotic principle (osmotic actuator) and, differently by the state-of-the-art actuators based on the osmotic principle, it has been designed in order to have a reversible reaction. This actuator permits to perform the elongation and the typical steering capabilities of the root apex, generating high forces with low power consumption (in the time scale of the plant). Theoretical studies on this actuator show interesting performances in terms of actuation pressure (more than 20 atm) with power in the order of some mW and with actuation in the hours scale time. The robotic root apex was designed to be equipped with sensors (gravity and moisture) to imitate the plants sensing characteristics, and with the novel osmotic actuator to drive the growth in the correct direction. An embedded microcontroller implements the basic root behaviour on the basis of the information coming from the sensors. About the aerial part the activity in this thesis was focused on the realization of a sort of environmental monitoring module in order to imitate the high sensing capabilities of the plants. This part has been designed and realized in a more traditional way, without attempt to imitate completely the plant behaviour but taking inspiration from the fundamental characteristics (energy scavenging, wide sensing capabilities and communication). In order to integrate a wide amount of sensors an innovative interface board that guarantees the conditioning of the sensor, with plug-and-play capabilities and low power consumption, was developed. Several aspects of the plantoid system are not faced yet and they will be part of the future works. In particular, the growing mechanism of the roots (some possible solutions are proposed and explained in this thesis) and the integration of chemical sensors in the root apex