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Un framework per ottimizzare l’efficienza e il comfort dei sistemi di alimentazione assistita da robot

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Un framework per ottimizzare l'efficienza e il comfort dei sistemi di alimentazione assistita da robot

Il metodo del team trova possibili traiettorie di trasferimento del morso nella simulazione. Data la geometria del cibo e la posa sulla forchetta, campioniamo almeno N pose del cibo obiettivo che vengono controllate per le collisioni con la geometria della bocca utilizzando un modello di vincolo appreso. Successivamente, raggruppiamo le pose dell’obiettivo e utilizziamo BiRRT a guida euristica per raggiungere i centroidi del cluster con euristiche di comfort (blu) ed efficienza del volume del morso (arancione). Credito: Belkhale et al.

I robot potrebbero essere preziosi alleati per gli anziani e le persone con disabilità fisiche, in quanto potrebbero assisterli nella loro vita quotidiana e ridurre la loro dipendenza da operatori umani. Un tipo di sistemi robotici che potrebbero essere particolarmente utili sono i robot di alimentazione assistita o di trasferimento del morso, progettati per raccogliere il cibo da un piatto e nutrire gli esseri umani che non sono in grado di muovere le braccia o coordinare i loro movimenti.

Mentre molti team di ricerca in tutto il mondo hanno cercato di sviluppare sistemi di alimentazione assistita da robot, la maggior parte delle soluzioni esistenti non tiene conto del livello di comfort di un utente quando riceve un boccone di cibo dal robot. In altre parole, questi sistemi possono essere efficienti nel afferrare e trasferire cibi di diverse forme e dimensioni, ma non tengono conto di come il morso verrà ricevuto dagli utenti, ad esempio se il robot colpirà invertita la faccia o la bocca dell’utente con la forchetta mentre consegna il cazzo.

I ricercatori della Stanford University, dell’Università di Washington e della Cornell University hanno recentemente sviluppato un nuovo framework che cerca di raggiungere un equilibrio ottimale tra l’efficienza e il comfort dei sistemi di alimentazione assistita da robot. Il loro approccio, introdotto in un documento pre-pubblicato su arXiv, si basa su un metodo computazionale noto come “alberi casuali bidirezionali a esplorazione rapida guidata da euristica (h-BiRRT).

“Gran parte del nostro lavoro precedente in questo spazio si è concentrato sul problema di raccogliere il cibo da un piatto”, ha detto a TechXplore Ethan K. Gordon, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. “Fondamentalmente, il robot porterebbe il cibo vicino alla bocca e chiamerebbe un giorno. Tuttavia, sia nelle demo formali che informali, i nuovi utenti esprimerebbero quasi sempre disagio per l’approccio. È una forchetta, un utensile affilato, quindi il disagio è comprensibile”.

Un framework per ottimizzare l'efficienza e il comfort dei sistemi di alimentazione assistita da robot

Costo del comfort spaziale (rosso maggiore, verde minore). Il gradiente di costo più ripido nella direzione verso l’alto che verso il basso garantisce che le traiettorie vicino alla parete abbiano un alto costo di “comfort”. Credito: Belkhale et al.

Basandosi sui loro studi precedenti, Gordon e i suoi colleghi hanno deciso di esplorare se potevano migliorare il comfort dei sistemi di alimentazione robotica. L’obiettivo generale del loro recente articolo era comprendere meglio la sensazione di disagio segnalata dagli utenti durante le prove e trovare un modo per mitigarla.

Il loro approccio funziona identificando promettenti traiettorie di trasferimento del morso nelle simulazioni. Allo stesso tempo, considera anche la geometria del cibo e la posa della forchetta, per garantire che riduca al minimo le collisioni con la bocca dell’utente.

“Il nostro approccio considera direttamente il comfort”, ha spiegato Gordon. “Bilanciandolo con ‘efficienza’ (vale a dire, la quantità di cibo che l’utente è in grado di togliere teoricamente dalla forchetta), lo aggiungiamo come euristica dei costi esplicita al nostro pianificatore di movimento”.

Il team ha valutato la loro nuova struttura di trasferimento del morso assistita da robot in una serie di valutazioni del mondo reale, utilizzando un braccio robotico Franka Emika Panda. Questo sistema è costituito da una forcella collegata a un sensore F/T a 6 assi ATI Mini45, tramite un supporto stampato in 3D. Il robot integra anche una fotocamera Intel Realsense RGB-D esterna.

“Sorprendentemente, abbiamo scoperto che gli utenti preferivano in modo significativo i trasferimenti prodotti dal nostro approccio a quelli prodotti da un metodo di base”, ha affermato Gordon. “I nostri risultati implicano che un’euristica ben progettata può fare molto per rendere i sistemi HRI più confortevoli per i collaboratori umani con una complessità aggiuntiva relativamente ridotta dal lato del robot”.

In futuro, il nuovo approccio potrebbe migliorare il comfort dei sistemi di alimentazione automatizzati, facilitando il loro impiego nelle strutture sanitarie e in altri contesti del mondo reale. Nel frattempo, Gordon e i suoi colleghi hanno in programma di sviluppare ulteriormente la loro struttura, ad esempio rendendo il robot più reattivo ai movimenti dell’utente durante il trasferimento del morso stesso.

“Ad esempio, prevediamo di concentrarci su domande come: come dovrebbe il robot regolare la traiettoria se l’utente si sporge per afferrare il cibo?” “Inoltre, il nostro recente lavoro si è concentrato principalmente sulle carote e altri alimenti analoghi, duri e cilindrici. Dobbiamo assolutamente progettare un sistema in grado di gestire alimenti di tutte le diverse forme e viscoelasticità”.


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