Samorekonfigurujący się modułowy robot - Self-reconfiguring modular robot

Modułowe, samorekonfigurujące się systemy robotyczne lub samorekonfigurowalne roboty modułowe to autonomiczne maszyny kinematyczne o zmiennej morfologii. Poza konwencjonalnym uruchamianiem, wykrywaniem i sterowaniem typowymi dla robotów o stałej morfologii, samorekonfigurujące się roboty są również w stanie celowo zmieniać swój własny kształt poprzez zmianę połączenia swoich części, aby dostosować się do nowych okoliczności, wykonać nowe zadania lub odzyskać przed uszkodzeniem.

Na przykład robot zbudowany z takich elementów może przybrać kształt robaka , aby przejść przez wąską rurę, złożyć się w coś z pajęczymi nogami, aby pokonywać nierówny teren, a następnie utworzyć trzeci dowolny obiekt (np. kulę lub koło, które może obraca się), aby szybko poruszać się po dość płaskim terenie; można go również wykorzystać do wykonania obiektów „stałych”, takich jak ściany, schrony czy budynki.

W niektórych przypadkach oznacza to, że każdy moduł ma 2 lub więcej złączy do łączenia kilku ze sobą. Mogą zawierać elektronikę , czujniki , procesory komputerowe , pamięć i zasilacze ; mogą również zawierać siłowniki , które służą do manipulowania ich położeniem w środowisku i we wzajemnej relacji. Cechą występującą w niektórych przypadkach jest zdolność modułów do automatycznego łączenia się i rozłączania się ze sobą oraz do formowania wielu obiektów lub wykonywania wielu zadań poruszających lub manipulujących środowiskiem.

Mówiąc „samorekonfigurowalny” lub „samo-rekonfigurowalny” oznacza to, że mechanizm lub urządzenie jest w stanie wykorzystać swój własny system sterowania, taki jak siłowniki lub środki stochastyczne , aby zmienić swój ogólny kształt strukturalny. Posiadanie cechy bycia „modułowym” w „samorekonfigurującej się robotyce modułowej” oznacza, że ​​ten sam moduł lub zestaw modułów może być dodawany lub usuwany z systemu, w przeciwieństwie do bycia ogólnie „zmodularyzowanym” w szerszym znaczeniu. Podstawowym celem jest posiadanie nieograniczonej liczby identycznych modułów lub skończonego i stosunkowo małego zestawu identycznych modułów w strukturze siatki lub matrycy samorekonfigurowalnych modułów.

Samorekonfiguracja różni się od koncepcji samoreplikacji , która nie jest cechą, którą musi posiadać samorekonfigurowalny moduł lub zbiór modułów. Macierz modułów nie musi być w stanie zwiększać liczby modułów w swojej macierzy, aby można ją było uznać za samorekonfigurowalną. Wystarczy, że moduły samorekonfigurowalne są produkowane w konwencjonalnej fabryce, gdzie dedykowane maszyny tłoczą lub formują elementy, które są następnie składane w moduł i dodawane do istniejącej matrycy w celu jej uzupełnienia w celu zwiększenia ilości lub zastąpienia zużytych z modułów.

Macierz składająca się z wielu modułów może się rozdzielać, tworząc wiele macierzy z mniejszą liczbą modułów, lub można je łączyć lub ponownie łączyć, tworząc większą macierz. Niektóre zalety dzielenia na wiele matryc obejmują możliwość wykonywania wielu prostszych zadań w lokalizacjach oddalonych od siebie jednocześnie, przechodzenie przez bariery z otworami, które są zbyt małe, aby zmieściła się pojedyncza większa matryca, ale nie są zbyt małe dla mniejszej matrycy fragmenty lub pojedyncze moduły oraz cele oszczędzania energii poprzez wykorzystanie tylko wystarczającej liczby modułów do wykonania danego zadania. Niektóre zalety łączenia wielu matryc w jedną matrycę to możliwość tworzenia większych struktur, takich jak wydłużony most, bardziej złożone struktury, takie jak robot z wieloma ramionami lub ramię o większej liczbie stopni swobody, oraz zwiększenie siły. Zwiększenie siły, w tym sensie, może przybrać formę zwiększenia sztywności konstrukcji stałej lub statycznej, zwiększenia netto lub zbiorowej siły do ​​podnoszenia, opuszczania, pchania lub ciągnięcia innego przedmiotu lub innej części matrycy, lub dowolną kombinację tych funkcji.

Istnieją dwie podstawowe metody artykulacji segmentowej, które samorekonfigurowalne mechanizmy mogą wykorzystać do przekształcenia swoich struktur: rekonfiguracja łańcucha i rekonfiguracja sieci.

Struktura i kontrola

Roboty modułowe zazwyczaj składają się z wielu elementów konstrukcyjnych o stosunkowo niewielkim repertuarze, z jednolitymi interfejsami dokowania, które umożliwiają przenoszenie sił mechanicznych i momentów, energii elektrycznej i komunikacji w całym robocie.

Modułowe bloki konstrukcyjne zwykle składają się z jakiejś podstawowej strukturalnej jednostki uruchamianej i potencjalnie dodatkowych wyspecjalizowanych jednostek, takich jak chwytaki, stopy, koła, kamery, ładunek oraz magazynowanie i wytwarzanie energii.

Taksonomia architektur

Modułowe, samorekonfigurujące się systemy robotyczne można ogólnie podzielić na kilka grup architektonicznych na podstawie geometrycznego układu ich jednostki (sieć vs. łańcuch). Kilka systemów wykazuje właściwości hybrydowe, a roboty modułowe zostały również zaklasyfikowane do dwóch kategorii: zmiany konfiguracji mobilnej (MCC) i lokomocji całego ciała (WBL).

Architektura kratownicowa: 12 modułów jednorodnego systemu kratowego Micro Unit zmontowanych razem z odpowiednią siecią i siecią punktów dokowania
  • Architektura kratowa ma swoje jednostki łączące ich interfejsy dokowania w punktach do wirtualnych komórek jakiejś regularnej siatki. Tę sieć punktów dokowania można porównać do atomów w krysztale, a siatkę do sieci tego kryształu. Dlatego cechy kinematyczne robotów sieciowych można scharakteryzować za pomocą odpowiadających im grup przemieszczeń krystalograficznych (chiralnych grup przestrzennych ). Zwykle do wykonania kroku rekonfiguracji wystarczy kilka jednostek. Architektury kratowe umożliwiają prostsze projektowanie mechaniczne oraz prostszą reprezentację obliczeniową i planowanie rekonfiguracji, które można łatwiej skalować do złożonych systemów.
  • Architektura łańcuchowa nie używa wirtualnej sieci punktów dokowania dla swoich jednostek. Jednostki są w stanie dotrzeć do dowolnego punktu w przestrzeni i dlatego są bardziej wszechstronne, ale łańcuch wielu jednostek może być konieczny, aby dotrzeć do punktu, co zwykle utrudnia wykonanie kroku rekonfiguracji. Takie systemy są również trudniejsze obliczeniowo do przedstawienia i analizy.
  • Architektura hybrydowa wykorzystuje zalety obu poprzednich architektur. Sterowanie i mechanizm są przeznaczone do rekonfiguracji sieci, ale także pozwalają na dotarcie do dowolnego punktu w przestrzeni.

Modułowe systemy robotyczne można również klasyfikować zgodnie ze sposobem, w jaki jednostki są rekonfigurowane (przemieszczane) na miejsce.

  • Deterministyczna rekonfiguracja polega na tym, że jednostki poruszają się lub są bezpośrednio manipulowane w ich docelowej lokalizacji podczas rekonfiguracji. Dokładna lokalizacja każdej jednostki jest zawsze znana. Czasy rekonfiguracji mogą być zagwarantowane, ale zaawansowana kontrola sprzężenia zwrotnego jest niezbędna do zapewnienia precyzyjnej manipulacji. Systemy w skali makro są zwykle deterministyczne.
  • Rekonfiguracja stochastyczna opiera się na jednostkach poruszających się za pomocą procesów statystycznych (takich jak ruchy Browna). Dokładna lokalizacja każdej jednostki znana jest tylko wtedy, gdy jest połączona z główną strukturą, ale może poruszać się nieznanymi ścieżkami, aby przejść między lokalizacjami. Czasy rekonfiguracji można zagwarantować tylko statystycznie. Architektury stochastyczne są bardziej korzystne w mikroskali.

Modułowe systemy robotyczne są również ogólnie klasyfikowane w zależności od konstrukcji modułów.

  • Homogeniczne modułowe systemy robotów mają wiele modułów o tej samej konstrukcji, tworzących strukturę odpowiednią do wykonania wymaganego zadania. Zaletą nad innymi systemami jest to, że można je łatwo skalować pod względem rozmiaru (i ewentualnie funkcji), poprzez dodanie większej liczby jednostek. Powszechnie opisywaną wadą są ograniczenia funkcjonalności – systemy te często wymagają większej liczby modułów do osiągnięcia danej funkcji, niż systemy heterogeniczne.
  • Heterogeniczne modułowe systemy robotów mają różne moduły, z których każdy pełni wyspecjalizowane funkcje, tworząc strukturę odpowiednią do wykonania zadania. Zaletą jest kompaktowość oraz wszechstronność projektowania i dodawania jednostek w celu wykonania dowolnego zadania. Powszechnie opisywaną wadą jest wzrost złożoności metod projektowania, wytwarzania i symulacji.
    Koncepcyjne przedstawienie rekonfiguracji wewnętrznej, wewnętrznej i zagnieżdżonej w ramach taksonomii rekonfigurowalnych robotów.

Istnieją inne modułowe systemy robotyczne, które nie podlegają samorekonfiguracji, a zatem formalnie nie należą do tej rodziny robotów, chociaż mogą mieć podobny wygląd. Na przykład systemy samomontujące mogą składać się z wielu modułów, ale nie mogą dynamicznie kontrolować ich docelowego kształtu. Podobnie robotyka tensegrity może składać się z wielu wymiennych modułów, ale nie może się samoczynnie rekonfigurować. Samorekonfigurowalne systemy robotyczne charakteryzują się możliwością rekonfiguracji w porównaniu z ich odpowiednikami o stałej morfologii i można ją zdefiniować jako zakres/stopień, w jakim samorekonfigurowalny robot lub systemy robotyczne mogą przekształcać się i ewoluować do innej znaczącej konfiguracji z pewnym stopniem autonomii lub interwencja. System rekonfigurowalny można również sklasyfikować według rekonfigurowalności mechanizmu.

  • Wewnętrzna rekonfigurowalność robotów jest określana jako system, który jest pojedynczą jednostką, a jednocześnie ma możliwość zmiany morfologii bez montażu/demontażu.
  • Interkonfigurowalność definiuje się jako stopień, w jakim system robotyczny może zmienić swoją morfologię poprzez montaż lub demontaż swoich komponentów lub modułów.
  • Nested-reconfigability for robotic system to zestaw robotów modułowych o indywidualnych cechach rekonfiguracji (intrakonfigurowalność), które łączą się z innymi jednorodnymi lub heterogenicznymi modułami robotów (rekonfigurowalność wewnętrzna).

Motywacja i inspiracja

Istnieją dwie główne motywacje projektowania modułowych, samorekonfigurujących się systemów robotycznych.

  • Zaleta funkcjonalna : samorekonfigurujące się systemy robotyczne są potencjalnie bardziej wytrzymałe i bardziej adaptacyjne niż systemy konwencjonalne. Możliwość rekonfiguracji pozwala robotowi lub grupie robotów na demontaż i ponowne złożenie maszyn w celu utworzenia nowych morfologii, które lepiej nadają się do nowych zadań, takich jak zmiana z robota na nogach na robota- węża ( sanderbot ), a następnie na robota toczącego się. Ponieważ części robota są wymienne (w obrębie robota i między różnymi robotami), maszyny mogą również samodzielnie wymieniać wadliwe części, co prowadzi do samonaprawy.
Autonomiczna robotyka modułowa w kosmosie
  • Korzyść ekonomiczna : samorekonfigurujące się systemy robotyczne mogą potencjalnie obniżyć całkowity koszt robota, tworząc szereg złożonych maszyn z jednego (lub stosunkowo niewielu) typów masowo produkowanych modułów.

Obie te zalety nie zostały jeszcze w pełni zrealizowane. Robot modułowy prawdopodobnie będzie miał gorszą wydajność od dowolnego pojedynczego robota niestandardowego dostosowanego do określonego zadania. Jednak przewaga robotyki modułowej jest widoczna tylko wtedy, gdy rozważa się wiele zadań, które normalnie wymagałyby zestawu różnych robotów.

Dodatkowe stopnie swobody sprawiają, że roboty modułowe są bardziej wszechstronne pod względem ich potencjalnych możliwości, ale wiążą się również z kompromisem w zakresie wydajności i zwiększoną złożonością mechaniczną i obliczeniową.

Poszukiwanie samorekonfigurujących struktur robotycznych jest w pewnym stopniu inspirowane przewidywanymi zastosowaniami, takimi jak długoterminowe misje kosmiczne, które wymagają długoterminowej samopodtrzymującej się ekologii robotów, która może poradzić sobie z nieprzewidzianymi sytuacjami i może wymagać samonaprawy. Drugim źródłem inspiracji są systemy biologiczne, które zbudowane są samodzielnie ze stosunkowo niewielkiego repertuaru elementów budulcowych niższego poziomu (komórek lub aminokwasów, w zależności od skali zainteresowania). Ta architektura leży u podstaw zdolności systemów biologicznych do fizycznej adaptacji, wzrostu, leczenia, a nawet samoreplikacji – zdolności, które byłyby pożądane w wielu systemach inżynieryjnych.

Obszary zastosowań

Biorąc pod uwagę te zalety, gdzie miałby być stosowany modułowy, samorekonfigurowalny system? Chociaż system obiecuje, że będzie zdolny do wykonywania wielu różnych rzeczy, znalezienie „ zabójczej aplikacji ” było nieco nieuchwytne. Oto kilka przykładów:

Eksploracja kosmosu

Jedną z aplikacji, która podkreśla zalety samorekonfigurowalnych systemów, są długoterminowe misje kosmiczne. Wymagają one długoterminowej, samowystarczalnej ekologii robota, która poradzi sobie z nieprzewidzianymi sytuacjami i może wymagać samonaprawy. Systemy samorekonfigurowalne mają zdolność obsługi zadań, które nie są znane a priori, zwłaszcza w porównaniu z systemami o stałej konfiguracji. Ponadto misje kosmiczne są bardzo ograniczone objętościowo i masowo. Wysłanie systemu robota, który może zmienić konfigurację w celu wykonania wielu zadań, może być bardziej efektywne niż wysłanie wielu robotów, z których każdy może wykonać jedno zadanie.

Telepario

Innym przykładem aplikacji został wymyślony przez profesorów CMU Todda Mowry'ego i Setha Goldsteina "telepario". To, co badacze proponują, to ruchome, fizyczne, trójwymiarowe repliki ludzi lub przedmiotów, tak realistyczne, że ludzkie zmysły zaakceptują je jako prawdziwe. Wyeliminowałoby to potrzebę posiadania niewygodnego sprzętu do wirtualnej rzeczywistości i przezwyciężyłoby ograniczenia kąta widzenia nowoczesnych rozwiązań 3D. Repliki naśladowałyby kształt i wygląd osoby lub obiektu obrazowanego w czasie rzeczywistym, a wraz z poruszaniem się oryginałów, ich repliki również. Jednym z aspektów tej aplikacji jest to, że głównym kierunkiem rozwoju jest reprezentacja geometryczna, a nie przykładanie sił do środowiska, jak w typowym zadaniu manipulacji robotami. Projekt ten jest powszechnie znany jako claytronics lub materia programowalna ( zauważmy , że materia programowalna jest terminem znacznie bardziej ogólnym, obejmującym również funkcjonalne materiały programowalne).

Wiadro rzeczy

Trzecia długoterminowa wizja tych systemów została nazwana „wiadrem rzeczy”. W tej wizji konsumenci przyszłości mają kontener samorekonfigurowalnych modułów, powiedzmy w swoim garażu, piwnicy lub strychu. Gdy zajdzie taka potrzeba, konsument wzywa roboty do wykonania zadania takiego jak „wyczyścić rynny” lub „wymienić olej w samochodzie”, a robot przybiera wymagany kształt i wykonuje zadanie.

Historia i stan wiedzy

Korzenie koncepcji modułowych, samorekonfigurowalnych robotów sięgają wstecz do „szybkiej wymiany” efektora końcowego i automatycznych zmieniarek narzędzi w centrach obróbkowych sterowanych numerycznie komputerowo w latach 70. XX wieku. Tutaj specjalne moduły, każdy ze wspólnym mechanizmem łączenia, mogą być automatycznie wymieniane na końcu ramienia robota. Jednak przejęcie podstawowej koncepcji wspólnego mechanizmu połączenia i zastosowanie go do całego robota zostało wprowadzone przez Toshio Fukudę w CEBOT (skrót od robota komórkowego) pod koniec lat 80-tych.

Na początku lat 90. nastąpił dalszy rozwój Grega Chirikjiana, Marka Yima, Josepha Michaela i Satoshi Murata. Chirikjian, Michael i Murata opracowali systemy rekonfiguracji sieci, a Yim system oparty na łańcuchu. Podczas gdy badacze ci zaczęli od nacisku na inżynierię mechaniczną, projektując i budując moduły, a następnie opracowując kod do ich programowania, prace Danieli Rus i Wei-min Shen rozwinęły sprzęt, ale miały większy wpływ na aspekty programowania. Zapoczątkowali trend w kierunku dowodliwych lub weryfikowalnych algorytmów rozproszonych do kontroli dużej liczby modułów.

Jedną z ciekawszych platform sprzętowych w ostatnim czasie są systemy MTRAN II i III opracowane przez Satoshi Murata et al. Ten system jest hybrydowym systemem łańcuchowo-siatowym. Ma tę zaletę, że jest w stanie łatwiej wykonywać zadania jak systemy łańcuchowe, a jednocześnie rekonfigurować jak system kratowy.

Ostatnio Hod Lipson i Eric Klavins podjęli nowe wysiłki w stochastycznym samoorganizacji . Duży wysiłek na Uniwersytecie Carnegie Mellon, kierowany przez Setha Goldsteina i Todda Mowry'ego, zaczął przyglądać się problemom związanym z opracowywaniem milionów modułów.

Wykazano, że wiele zadań jest możliwych do zrealizowania, zwłaszcza w przypadku modułów rekonfiguracji łańcucha. Świadczy to o wszechstronności tych systemów, jednak pozostałe dwie zalety, solidność i niski koszt, nie zostały wykazane. Ogólnie rzecz biorąc, prototypowe systemy opracowane w laboratoriach były kruche i drogie, jak można się było spodziewać podczas wszelkich początkowych prac rozwojowych.

Rośnie liczba grup badawczych aktywnie zaangażowanych w badania nad robotyką modułową. Do chwili obecnej zaprojektowano i zbudowano około 30 systemów, z których niektóre pokazano poniżej.

Utworzono systemy fizyczne
System Klasa, DOF Autor Rok
CEBOT mobilny Fukuda i in. (Tsukuba) 1988
Wielonóg łańcuch, 2, 3D Yim (Stanford) 1993
Metamorficzny krata, 6, 2D Chirikjian (Caltech) 1993
Fracta krata, 3 2D Murata (MEL) 1994
Roboty fraktalne krata, 3D Michał(Wielka Brytania) 1995
Tetrobot łańcuch, 1 3D Hamline i in. (RPI) 1996
Frakta 3D krata, 6 3D Murata i in. (MEL) 1998
Cząsteczka krata, 4 3D Kotay & Rus (Dartmouth) 1998
CONRO łańcuch, 2 3D Will i Shen (USC/ISI) 1998
PolyBot łańcuch, 1 3D Yim i in. (PARK) 1998
TeleCube krata, 6 3D Suh i in., (PARC) 1998
Pionowy krata, 2D Hosakawa i in., (Riken) 1998
Krystaliczny krata, 4 2D Vona i Rus (Dartmouth) 1999
I-Cube krata, 3D Unsal, (CMU) 1999
Jednostka mikro krata, 2 2D Murata i wsp. (AIST) 1999
M-TRAN I hybrydowy, 2 3D Murata i wsp. (AIST) 1999
Pneumatyczny krata, 2D Inou i in., (TiTech) 2002
Uni Rover mobilny, 2 2D Hirose i in., (TiTech) 2002
M-TRAN II hybrydowy, 2 3D Murata i in., (AIST) 2002
Atron krata, 1 3D Stoy i in., (USA, Dania) 2003
S-bot mobilny, 3 2D Mondada i in., (EPFL) 2003
Stochastyczny krata, 0 3D Biały, Kopański, Lipson (Cornell) 2004
Superrobot hybrydowy, 3 3D Shen i in., (USC/ISI) 2004
Moduły Y1 łańcuch, 1 3D Gonzalez-Gomez i in., (UAM) 2004
M-TRAN III hybrydowy, 2 3D Kurokawa i in., (AIST) 2005
AMOEBA-I Mobilny, 7 3D Liu JG i in., (SIA) 2005
Catom krata, 0 2D Goldstein i in., (CMU) 2005
Stochastyczny 3D krata, 0 3D Biały, Zykov, Lipson (Cornell) 2005
molekuły hybrydowy, 1 3D Zykov, Mytilinaios, Lipson (Cornell) 2005
Wałówka. Części krata, 0 2D Klavins, (Waszyngton) 2005
Mikrowanna łańcuch, 2 2D Brunete, Hernando, Gambao (UPM) 2005
Miche krata, 0 3D Rus i in., (MIT) 2006
Moduły GZ-I łańcuch, 1 3D Zhang i Gonzalez-Gomez (U. Hamburg, UAM) 2006
Rozproszona tablica lotów krata, 6 3D Oung & D'Andrea (ETH Zurych) 2008
Ewoluować łańcuch, 2 3D Chang Fanxi, Franciszek (NUS) 2008
EM-kostka Krata, 2 2D An, (Dran Laboratorium Informatyczne) 2008
Roboty pokojowe Hybrydowy, 3 3D Sproewitz, Moeckel, Ijspeert, Laboratorium Biorobotyki, (EPFL) 2009
Programowalna materia przez składanie Arkusz, 3D Wood, Rus, Demaine i in. (Harvard i MIT) 2010
Sambot Hybrydowy, 3D HaiYuan Li, HongXing Wei, TianMiao Wang i in. (Uniwersytet Beihang) 2010
Moteiny Hybrydowy, 1 3D Centrum Bitów i Atomów (MIT) 2011
ModRED Łańcuch, 4 3D Laboratorium C-MANTIC, (UNO/UNL) 2011
Programowalny inteligentny arkusz Arkusz, 3D An i Ruś, (MIT) 2011
SMORES Hybrydowy, 4, 3D Davey, Kwok, Yim (UNSW, UPenn) 2012
Symbrion Hybrydowy, 3D Projekty UE Symbrion i Replikator 2013
ReBiS — rekonfigurowalny dwunożny wąż Łańcuch, 1, 3D Rohan, Ajinkya, Sachin, S. Chiddarwar, K. Bhurchandi (VNIT, Nagpur) 2014
Miękki mod. Obrabować. Kostki Krata, 3D Vergara, Sheng, Mendoza-Garcia, Zagal (UChile) 2017
Silnik kosmiczny Hybrydowy, 3D Ruke Keragala (3. wektor, Nowy Jork) 2018
Namiot omni-pi Hybrydowy, 3D Peck, Timmis, Tyrrell (Uniwersytet York) 2019
Panthera Mobilny, 1D Elara, Prathap, Hayat, Parween (SUTD, Singapur) 2019

Niektóre obecne systemy

Polybot G3 Modular samorekonfigurowalny robot
PoliBot G3 (2002)

System samorekonfiguracji łańcucha. Każdy moduł ma z boku około 50 mm i ma 1 obrotową głębię ostrości. Jest to część rodziny modułowych robotów PolyBot, która demonstrowała wiele sposobów poruszania się, w tym chodzenie: dwunożny, 14-nożny, slinky, wężowy: harmonijka w dziurze susła, chod bieżnik do 1,4 m/s, jazda na trójkołowcu, wspinanie się: schody, rury po słupach, rampy itp. Więcej informacji na stronie polibota w PARC.

Metamorfoza przez samorekonfigurowalnego robota M-TRAN III
M-TRAN III (2005)

Samorekonfigurowalny system typu hybrydowego. Każdy moduł ma rozmiar dwóch sześcianów (bok 65 mm) i ma 2 obrotowe DOF i 6 płaskich powierzchni do podłączenia. To 3 prototypy M-TRAN. W porównaniu z poprzednim (M-TRAN II) znacznie poprawiono szybkość i niezawodność połączenia. Jako system typu łańcuchowego, M-TRAN II zademonstrował poruszanie się za pomocą sterownika CPG (Central Pattern Generator) w różnych kształtach. Jako system typu kratowego może zmieniać swoją konfigurację, np. z 4-nożnego chodzika na robota przypominającego gąsienicę. Zobacz stronę internetową M-TRAN w AIST.

AMOEBA-I (2005)

AMOEBA-I, trzymodułowy, rekonfigurowalny robot mobilny został opracowany w Shenyang Institute of Automation (SIA), Chińskiej Akademii Nauk (CAS) przez Liu JG et al. [1] [2] .AMOEBA-I ma dziewięć rodzajów konfiguracji nieizomorficznych i wysoką mobilność w środowiskach nieustrukturyzowanych. Opracowano cztery generacje tej platformy i przeprowadzono szereg badań dotyczących ich mechanizmu rekonfiguracji, konfiguracji nieizomorficznych, stabilności przewrócenia i planowania rekonfiguracji. Eksperymenty wykazały, że taka konstrukcja pozwala na dobrą mobilność i dużą elastyczność w nierównym terenie. Będąc hiperredundantnym, modułowym i rekonfigurowalnym, AMOEBA-I ma wiele możliwych zastosowań, takich jak Urban Search and Rescue (USAR) i eksploracja kosmosu. Ref_1: patrz [3] ; Ref_2: patrz [4]

Stochastyczny 3D (2005)

Wysoka rozdzielczość przestrzenna dla dowolnego tworzenia trójwymiarowych kształtów za pomocą robotów modułowych może być osiągnięta przy użyciu systemu kratowego z dużą ilością bardzo małych, potencjalnie mikroskopijnych modułów. W małych skalach i przy dużych ilościach modułów deterministyczna kontrola nad rekonfiguracją poszczególnych modułów stanie się niewykonalna, podczas gdy mechanizmy stochastyczne będą naturalnie dominować. Mikroskopijne rozmiary modułów sprawią, że użycie elektromagnetycznego uruchamiania i połączeń międzysystemowych będzie niemożliwe, a także użycie pokładowych magazynów energii.

Zbudowano trzy prototypy na dużą skalę, aby zademonstrować dynamicznie programowalną trójwymiarową rekonfigurację stochastyczną w środowisku o neutralnej pływalności. Pierwszy prototyp wykorzystywał elektromagnesy do rekonfiguracji i łączenia modułów. Moduły były kostkami 100 mm i ważyły ​​0,81 kg. W drugim prototypie zastosowano stochastyczną rekonfigurację płynów i mechanizm połączeń. Jego sześcienne moduły 130 mm ważyły ​​1,78 kg każdy i czyniły eksperymenty rekonfiguracyjne nadmiernie powolne. Obecna trzecia implementacja dziedziczy zasadę płynnej rekonfiguracji. Rozmiar siatki wynosi 80 mm, a eksperymenty rekonfiguracyjne są w toku.

Cząsteczki w ruchu

Cząsteczki (2005)

Ten hybrydowy, samorekonfigurujący się system został zbudowany przez Cornell Computational Synthesis Lab, aby fizycznie zademonstrować sztuczną kinematyczną samoreprodukcję. Każdy moduł to kostka 0,65 kg z krawędziami o długości 100 mm i jednym obrotowym stopniem swobody. Oś obrotu pokrywa się z najdłuższą przekątną sześcianu. Zademonstrowano samoodtwarzanie fizyczne robota trzy- i czteromodułowego. Wykazano również, że bez względu na ograniczenia grawitacyjne, z molekuł można zbudować nieskończoną liczbę samoreprodukujących się metastruktur łańcuchowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie internetowej CCSL Self-Replication .


Programowalne części (2005)

Programowalne części są losowo mieszane na stole do cymbergaja za pomocą losowo uruchamianych strumieni powietrza. Kiedy się zderzają i przyklejają, mogą komunikować się i decydować, czy pozostać w miejscu, czy też i kiedy się odłączyć. Lokalne reguły interakcji można opracować i zoptymalizować, aby poprowadzić roboty do dowolnego pożądanego globalnego kształtu. Więcej informacji można znaleźć na stronie internetowej z częściami programowalnymi .


SuperBot (2006)

Moduły SuperBot wpisują się w architekturę hybrydową. Każdy z modułów ma trzy stopnie swobody. Projekt oparty jest na dwóch wcześniejszych systemach: Conro (opracowanej przez tę samą grupę badawczą) oraz MTRAN (opracowanej przez Murata et al.). Każdy moduł można połączyć z innym modułem za pomocą jednego z sześciu złączy dokujących. Mogą komunikować się i udostępniać energię za pośrednictwem złączy dokujących. Opracowano kilka chodów lokomocyjnych dla różnych układów modułów. Do komunikacji na wysokim poziomie moduły wykorzystują sterowanie hormonalne, rozproszony, skalowalny protokół, który nie wymaga od modułów posiadania unikalnych identyfikatorów.


Miche (2006)

System Miche to modułowy system kratownicowy zdolny do tworzenia dowolnych kształtów. Każdy moduł to autonomiczny moduł robota, który może łączyć się i komunikować z bezpośrednimi sąsiadami. Po złożeniu w strukturę moduły tworzą system, który można wirtualnie wyrzeźbić za pomocą interfejsu komputerowego i rozproszonego procesu. Grupa modułów wspólnie decyduje, kto jest na ostatecznym kształcie, a kto nie korzysta z algorytmów minimalizujących transmisję i przechowywanie informacji. W końcu moduły nie znajdujące się w konstrukcji puszczają i odpadają pod kontrolą siły zewnętrznej, w tym przypadku grawitacji. Więcej szczegółów u Miche (Rus i in.).


10-modułowa konfiguracja Distributed Flight Array w locie.

Rozproszona tablica lotów (2009)

Distributed Flight Array to modułowy robot składający się z sześciokątnych jednostek jednowirnikowych, które mogą przybrać niemal dowolny kształt lub formę. Chociaż każda jednostka jest w stanie wytworzyć wystarczającą siłę ciągu, aby oderwać się od ziemi, sama nie jest w stanie latać, podobnie jak helikopter nie może latać bez śmigła ogonowego. Jednak po połączeniu jednostki te ewoluują w wyrafinowany system wielowirnikowy zdolny do skoordynowanego lotu i wielu innych. Więcej informacji znajdziesz w DFA.

Roboty pokojowe (2009)

Roboty pokojowe mają architekturę hybrydową. Każdy moduł ma trzy stopnie swobody, dwa z nich wykorzystują oś średnicową w regularnym sześcianie, a trzecią (środkową) oś obrotu łączącą dwie kuliste części. Wszystkie trzy osie są stale obrotowe. Zewnętrzny DOF Roombots używa tej samej orientacji osi co Molecube, trzecia, centralna oś Roombots umożliwia modułowi obracanie dwóch zewnętrznych DOF względem siebie. Ta nowatorska funkcja umożliwia pojedynczemu modułowi Roombots poruszanie się po płaskim terenie, ale także wspinanie się po ścianie lub przekraczanie wklęsłej, prostopadłej krawędzi. Wypukłe krawędzie wymagają montażu co najmniej dwóch modułów w „Metamoduł” robota Roombot. Każdy moduł posiada dziesięć dostępnych gniazd złączy, obecnie dwa z nich wyposażone są w aktywny mechanizm łączenia oparty na zatrzaskach mechanicznych. Roboty pokojowe przeznaczone są do dwóch zadań: do ostatecznego kształtowania przedmiotów codziennego użytku, np. mebli, oraz do poruszania się, np. jako czworonożny lub trójnożny robot złożony z wielu modułów. Więcej informacji można znaleźć na stronie Roombots.

Sambot (2010)

Inspirując się owadami społecznymi, organizmem wielokomórkowym i robotami morfogenetycznymi, celem Sambota jest rozwój robotyki roju i prowadzenie badań nad inteligencją roju , samoorganizacją i koewolucją ciała i mózgu w celu autonomicznej morfogenezy. W odróżnieniu od robota roju, robota samorekonfigurowalnego i robota morfgenetycznego, badania koncentrują się na modułowych robotach roju do samodzielnego montażu, które współdziałają i dokują jako autonomiczny moduł mobilny z innymi, aby osiągnąć inteligencję roju i dalej omawiają autonomiczną konstrukcję w stacji kosmicznej i narzędzia eksploracyjne i sztuczne struktury złożone. Każdy robot Sambot może działać jako autonomiczna jednostka na kole, a ponadto, wykorzystując kombinację czujników i mechanizmu dokowania, robot może wchodzić w interakcje i dokować się ze środowiskiem i innymi robotami. Dzięki przewadze ruchu i połączenia roje Sambotów mogą agregować się w symbiotyczny lub cały organizm i generować lokomocję jako bioniczne roboty stawowe. W takim przypadku w widoku projektu i aplikacji dostępne są niektóre funkcje i badania samoorganizujące się, samoorganizujące się, rekonfigurujące i samonaprawiające. Wewnątrz modułowego robota o wymiarach 80(W)X80(L)X102(H) mm wbudowane są MCU (ARM i AVR), komunikacja (Zigbee), czujniki, zasilanie, IMU, moduły pozycjonujące. Więcej informacji można znaleźć na stronie „Roje modułowe do samodzielnego montażu”.

Motein
Moteiny (2011)

Udowodniono matematycznie, że fizyczne struny lub łańcuchy o prostych kształtach można składać w dowolny ciągły obszar lub kształt wolumetryczny. Moteiny wykorzystują takie strategie składania kształtu-uniwersalnego, z zaledwie jednym (dla kształtów 2D) lub dwoma (dla kształtów 3D) stopniami swobody i prostymi aktuatorami z zaledwie dwoma (dla kształtów 2D) lub trzema (dla kształtów 3D) stanami za sztukę.

Symbrion (2013)

Symbrion ( Symbiotic Evolutionary Robot Organisms) to projekt finansowany przez Komisję Europejską w latach 2008–2013, którego celem było opracowanie struktury, w której jednorodny rój miniaturowych, współzależnych robotów może wspólnie łączyć się w większy organizm robota, aby nabrać rozpędu w rozwiązywaniu problemów. Jeden z kluczowych aspektów Symbrion jest inspirowany światem biologicznym: sztucznym genomem, który umożliwia przechowywanie i ewolucję konfiguracji suboptymalnych w celu zwiększenia szybkości adaptacji. Duża część zmian w Symbrion to open-source i open-hardware.

Silnik kosmiczny (2018)

Space Engine to autonomiczna platforma kinematyczna o zmiennej morfologii, zdolna do tworzenia lub manipulowania przestrzenią fizyczną (przestrzeń życiowa, przestrzeń do pracy, przestrzeń rekreacyjna). Generowanie własnej wielokierunkowej siły kinetycznej do manipulowania obiektami i wykonywania zadań.

Co najmniej 3 lub więcej zamków na każdy moduł, zdolnych do automatycznego dołączania lub odłączania do jego bezpośrednich modułów w celu utworzenia sztywnych konstrukcji. Moduły poruszają się ruchem liniowym do przodu lub do tyłu w samych płaszczyznach przestrzennych X, Y lub Z, jednocześnie wytwarzając własne siły pędu, zdolne do napędzania się przez kontrolowaną zmianę ciśnienia wytworzoną między jednym lub większą liczbą jego bezpośrednich modułów.

Używanie nacisków magnetycznych do przyciągania i/lub odpychania za pomocą bezpośrednich modułów. Podczas gdy moduł napędowy używa swoich elektromagnesów do ciągnięcia lub pchania do przodu wzdłuż jezdni utworzonej przez moduły statystyczne, moduły statystyczne ciągną lub popychają moduły napędowe do przodu. Zwiększenie liczby modułów przemieszczenia zwiększa również całkowity pęd lub siły pchające/ciągnące. Liczba elektromagnesów na każdym module może się zmieniać zgodnie z wymaganiami projektu.

Moduły na zewnątrz matryc nie mogą przemieszczać się samodzielnie, ze względu na brak jednej lub więcej ścian reakcyjnych z modułów bezpośrednich. Są one przesuwane poprzez przymocowanie do modułów we wnętrzu matryc, które mogą tworzyć kompletną jezdnię dla przemieszczenia.

Osiągnięcie ilościowe

  • Robot z najbardziej aktywnymi modułami ma 56 jednostek <polybot stonoga, PARC>
  • Najmniejsza jednostka modułowa z napędem ma rozmiar 12 mm
  • Największa aktywowana jednostka modułowa (objętościowo) ma rozmiar 8 m^3 <(GHFC)gigantyczne katomy wypełnione helem, CMU>
  • Najsilniejsze moduły wykonawcze są w stanie podnieść 5 identycznych, poziomo wspornikowych jednostek.<PolyBot g1v5, PARC>
  • Najszybszy robot modułowy może poruszać się z prędkością 23 jednostek na sekundę.<CKbot, dynamiczne toczenie, ISER'06>
  • Największy symulowany system zawierał setki tysięcy jednostek.

Wyzwania, rozwiązania i możliwości

Od wczesnych demonstracji wczesnych modułowych, samorekonfigurujących się systemów, stale poprawiały się rozmiary, solidność i wydajność. Równolegle rozwijały się algorytmy planowania i sterowania, które obsługują tysiące jednostek. Istnieje jednak kilka kluczowych kroków, które są niezbędne, aby te systemy mogły zrealizować obietnicę zdolności adaptacyjnych, solidności i niskich kosztów . Kroki te można podzielić na wyzwania w projektowaniu sprzętu, algorytmach planowania i sterowania oraz w aplikacji. Te wyzwania są często ze sobą powiązane.

Wyzwania związane z projektowaniem sprzętu

Zakres, w jakim można zrealizować obietnicę samorekonfiguracji systemów robotycznych, zależy w dużej mierze od liczby modułów w systemie. Do tej pory zademonstrowano tylko systemy zawierające do około 50 jednostek, przy czym liczba ta pozostawała w stagnacji przez prawie dekadę. Istnieje kilka podstawowych czynników ograniczających, które rządzą tą liczbą:

  • Ograniczenia wytrzymałości, precyzji i odporności w terenie (zarówno mechanicznej, jak i elektrycznej) interfejsów łączących/dokujących między modułami
  • Ograniczenia mocy silnika, precyzji ruchu i sprawności energetycznej jednostek (tj. moc właściwa, moment właściwy)
  • Projektowanie sprzętu/oprogramowania. Sprzęt zaprojektowany w celu ułatwienia rozwiązywania problemów z oprogramowaniem. Systemy samorekonfigurujące mają ściślej powiązany sprzęt i oprogramowanie niż jakikolwiek inny istniejący system.

Wyzwania związane z planowaniem i kontrolą

Chociaż opracowano algorytmy do obsługi tysięcy jednostek w idealnych warunkach, wyzwania dotyczące skalowalności pozostają zarówno w sterowaniu niskopoziomowym, jak i planowaniu wysokopoziomowym w celu pokonania realistycznych ograniczeń:

  • Algorytmy dla ruchu równoległego do manipulacji i poruszania się na dużą skalę
  • Algorytmy do niezawodnej obsługi różnych trybów awarii, od niewspółosiowości, martwych jednostek (nie reagujących, nie zwalniających) do jednostek, które zachowują się nieregularnie.
  • Algorytmy określające optymalną konfigurację dla danego zadania
  • Algorytmy optymalnego planu rekonfiguracji (czas, energia)
  • Wydajna i skalowalna (asynchroniczna) komunikacja między wieloma jednostkami

Wyzwania aplikacji

Chociaż zalety samorekonfigurujących się systemów modułowych są powszechnie znane, trudno było zidentyfikować konkretne obszary zastosowań, w których można wykazać korzyści w krótkim okresie. Niektóre sugerowane aplikacje to

  • Aplikacje do eksploracji kosmosu i kolonizacji kosmosu , np. kolonizacja księżycowa
  • Budowa dużych systemów architektonicznych
  • Eksploracja/wydobycie głębinowych
  • Poszukiwania i ratownictwo w nieustrukturyzowanych środowiskach
  • Szybka konstrukcja dowolnych narzędzi przy ograniczeniach przestrzennych/wagowych
  • Schroniska dla osób wysiedlonych
  • Schroniska dla zubożałych obszarów, których montaż wymaga niewielkiej wiedzy w terenie

Wielkie Wyzwania

W kilku dziedzinach robotyki zidentyfikowano Wielkie Wyzwania, które działają jako katalizator rozwoju i służą jako cel krótkoterminowy w przypadku braku natychmiastowych zabójczych aplikacji . Wielkie Wyzwanie samo w sobie nie jest programem badawczym ani kamieniem milowym, ale środkiem do stymulowania i oceny skoordynowanego postępu na wielu płaszczyznach technicznych. Zaproponowano kilka Wielkich Wyzwań dla modułowej, samorekonfigurującej się robotyki:

  • Demonstracja systemu z >1000 jednostek . Fizyczna demonstracja takiego systemu nieuchronnie będzie wymagała ponownego przemyślenia kluczowych kwestii sprzętowych i algorytmicznych, a także radzenia sobie z szumami i błędami.
  • Robotosfera . Samowystarczalnego robota ekologia, izolowane przez długi okres czasu (1 rok), który musi utrzymać pracę i osiągnąć nieprzewidziane zadania bez jakiejkolwiek obecności człowieka.
  • Samoreplikacja System z wieloma jednostkami zdolnymi do samoreplikacji poprzez zbieranie rozproszonych bloków konstrukcyjnych będzie wymagał rozwiązania wielu wyzwań sprzętowych i algorytmicznych.
  • Ultimate Construction System zdolny do tworzenia obiektów z elementów, powiedzmy, ściany.
  • Analogia z biofiltrem Jeśli system jest na tyle mały, że można go wstrzyknąć ssakowi, jednym z zadań może być monitorowanie cząsteczek w krwiobiegu i przepuszczanie niektórych z nich, a innych nie, podobnie jak bariera krew-mózg . Jako wyzwanie można postawić analogię, w której system musi być w stanie:
    • należy włożyć w otwór o średnicy jednego modułu.
    • przebyć określoną odległość w kanale, czyli około 40 x 40 średnic modułu w obszarze.
    • tworzą barierę w pełni dopasowującą się do kanału (którego kształt jest nieregularny i wcześniej nieznany).
    • pozwolić niektórym obiektom przejść, a innym nie (nie w oparciu o rozmiar).
    • Ponieważ wykrywanie nie jest głównym tematem tej pracy, faktyczne wykrywanie obiektów możliwych do przejścia powinno być trywialne.

Przetworniki indukcyjne

Unikalnym potencjalnym rozwiązaniem, które można wykorzystać, jest zastosowanie cewek indukcyjnych jako przetworników. Może to być przydatne w przypadku problemów z dokowaniem i wiązaniem. Jednocześnie może być również korzystny ze względu na swoje możliwości wykrywania dokowania (wyrównanie i znajdowanie odległości), przesyłanie mocy i komunikację (sygnał danych). Film przedstawiający weryfikację koncepcji można obejrzeć tutaj . Dość ograniczone eksploracje tą drogą są prawdopodobnie konsekwencją historycznego braku potrzeby jakichkolwiek zastosowań takiego podejścia.

Grupy dyskusyjne Google

Self-Reconfiguring and Modular Technology to grupa do dyskusji na temat percepcji i zrozumienia rozwijającej się dziedziny robotyki.

Modular Robotics Google Group to otwarte forum publiczne poświęcone zapowiedziom wydarzeń z zakresu Robotyki Modularnej. To medium służy do rozpowszechniania zaproszeń do warsztatów, specjalnych zagadnień i innych działań akademickich interesujących badaczy robotyki modułowej. Założyciele tej grupy Google zamierzają ułatwić wymianę informacji i pomysłów w społeczności badaczy robotyki modułowej na całym świecie, a tym samym promować przyspieszenie postępów w robotyce modułowej. Każdy, kto jest zainteresowany celami i postępami Modular Robotics, może dołączyć do tej grupy Google i dowiedzieć się o nowych osiągnięciach w tej dziedzinie.

Witryny dedykowane specjalnie do odkrywania tej technologii

  • „Koperta Elastyczna” . Samodzielna rekonfiguracja robotyki modułowej i stworzona przyszłość .
  • „Technologia modułowa z możliwością samodzielnej rekonfiguracji” . Zbiór witryn internetowych, stron internetowych, klipów wideo, artykułów i dokumentów .

Zobacz też

Dalsza lektura

Bibliografia

  • Modular Self-Reconfigurable Robot Systems: Challenges and Opportunities for the Future, autorstwa Yim, Shen, Salemi, Rus, Moll, Lipson, Klavins & Chirikjian, opublikowane w IEEE Robotics & Automation Magazine, marzec 2007 [5]
  • Self-Reconfigurable Robot: Shape-Changing Cellular Robots Can Exceed Conventional Robot Flexibility, Murata & Kurokawa, opublikowane w IEEE Robotics & Automation Magazine, marzec 2007 [6]
  • Technika wyboru konfiguracji centralnej dla rekonfigurowalnego robota modułowego. Autor: Liu JG, Wang YC, et al., opublikowana w Science in China Series F: Information Sciences 2007. [7]
  • Self Reconfiguring Modular Robotics Essentials, popularna nauka Wprowadzenie do podstaw SRCMR i niektóre z jego poważnych konsekwencji. Autor: Per Sjöborg 2009. [8]

Zewnętrzne linki