Модульный робот с автоматической реконфигурацией - Self-reconfiguring modular robot

Смотрите также: Модульная конструкция

Модульное самонастраивание робот системы или самоконфигурируемые модульные роботы автономные кинематические машины с переменной морфология. Помимо обычного срабатывания, обнаружение и управление, которые обычно встречаются в роботы с фиксированной морфологией, самопереконфигурируемые роботы также могут сознательно изменять свою форму, изменяя взаимосвязь своих частей, чтобы адаптироваться к новым обстоятельствам, выполнять новые задачи или восстанавливаться после повреждений.

Например, робот, сделанный из таких компонентов, мог бы предположить, что червь -подобная форма, чтобы двигаться по узкой трубе, собрать во что-то с паук -подобные ноги, чтобы пересекать неровную местность, а затем формировать третий произвольный объект (например, шар или колесо, которое может вращаться) для быстрого перемещения по довольно ровной местности; его также можно использовать для изготовления «неподвижных» объектов, таких как стены, укрытия или здания.

В некоторых случаях это включает в себя каждый модуль, имеющий 2 или более разъемов для соединения нескольких вместе. Они могут содержать электроника, датчики, компьютерные процессоры, объем памяти и Источники питания; они также могут содержать приводы которые используются для управления своим местоположением в окружающей среде и по отношению друг к другу. В некоторых случаях обнаруживается особенность - способность модулей автоматически подключаться и отключаться друг от друга и друг от друга, а также формировать множество объектов или выполнять множество задач, перемещая или манипулируя средой.

Говоря «самоконфигурируемый» или «самоконфигурируемый», это означает, что механизм или устройство может использовать свою собственную систему управления, например, с приводами или стохастический означает изменить его общую структурную форму. «Модульность» в «самопереконфигурируемой модульной робототехнике» означает, что один и тот же модуль или набор модулей могут быть добавлены в систему или удалены из нее, в отличие от «модульности» в более широком смысле. Основная цель состоит в том, чтобы иметь неопределенное количество идентичных модулей или конечный и относительно небольшой набор идентичных модулей в ячеистой или матричной структуре самоконфигурируемых модулей.

Самореконфигурация отличается от концепции самовоспроизведение, что не является тем качеством, которым должен обладать самоконфигурируемый модуль или набор модулей. Чтобы матрица модулей считалась самоконфигурируемой, необязательно иметь возможность увеличивать количество модулей в ее матрице. Достаточно, чтобы самоконфигурируемые модули производились на обычном заводе, где специализированные машины штампуют или формуют компоненты, которые затем собранный в модуль и добавлен к существующей матрице, чтобы дополнить ее, чтобы увеличить количество или заменить изношенные модули.

Матрица, состоящая из многих модулей, может разделяться, чтобы сформировать несколько матриц с меньшим количеством модулей, или они могут объединяться или рекомбинировать, чтобы сформировать большую матрицу. Некоторые преимущества разделения на несколько матриц включают возможность одновременно решать несколько и более простых задач в местах, удаленных друг от друга, переходя через барьеры с отверстиями, которые слишком малы для одной большой матрицы, но не слишком малы для меньшей матрицы фрагменты или отдельные модули, а также в целях экономии энергии за счет использования только достаточного количества модулей для выполнения данной задачи. Некоторыми преимуществами объединения нескольких матриц в единую матрицу являются возможность формировать более крупные структуры, такие как удлиненный мост, более сложные конструкции, такие как робот с множеством рук или рука с большим количеством степеней свободы, а также увеличение прочности. Увеличение силы в этом смысле может быть в форме увеличения жесткости фиксированной или статической конструкции, увеличения суммарной или совокупной силы для подъема, опускания, толкания или тяги другого объекта или другой части матрицы, или любое сочетание этих функций.

Существует два основных метода артикуляции сегментов, которые самоконфигурируемые механизмы могут использовать для изменения своей структуры: реконфигурация цепи и реконфигурация решетки.

Структура и контроль

Модульные роботы обычно состоят из нескольких строительных блоков относительно небольшого репертуара с единообразными стыковочными интерфейсами, которые позволяют передавать механические силы и моменты, электрическую мощность и связь по всему роботу.

Модульные строительные блоки обычно состоят из некоторого основного структурного элемента, приводимого в действие, и потенциально дополнительных специализированных элементов, таких как захваты, опоры, колеса, камеры, полезная нагрузка, а также накопление и генерация энергии.

Таксономия архитектур

Модульные самореконфигурируемые робототехнические системы обычно можно разделить на несколько архитектурных групп по геометрическому расположению их единиц (решетка против цепочки). Некоторые системы демонстрируют гибридные свойства, и модульные роботы также были разделены на две категории: изменение мобильной конфигурации (MCC) и движение всего тела (WBL).^[1]

Архитектура решетки: 12 модулей однородной решетчатой ​​системы Micro Unit, собранные вместе, показаны с соответствующей сеткой и сетью точек стыковки

• Решетчатая архитектура их блоки соединяют свои стыковочные интерфейсы в точках с виртуальными ячейками некоторой регулярной сетки. Эту сеть точек стыковки можно сравнить с атомами в кристалле, а сетку - с решеткой этого кристалла. Таким образом, кинематические особенности решетчатых роботов могут быть охарактеризованы соответствующими им кристаллографическими группами смещений (хиральными космические группы ).^[2] Обычно для выполнения шага реконфигурации достаточно нескольких устройств. Решетчатые архитектуры позволяют упростить механическое проектирование и более простое вычислительное представление и планирование реконфигурации, которые можно легко масштабировать для сложных систем.
• Цепная архитектура не используйте виртуальную сеть точек стыковки для своих устройств. Устройства могут достигать любой точки в пространстве и, следовательно, более универсальны, но для достижения точки может потребоваться цепочка из многих устройств, что обычно затрудняет выполнение шага реконфигурации. Такие системы также труднее представить и проанализировать с точки зрения вычислений.
• Гибридная архитектура использует преимущества обеих предыдущих архитектур. Управление и механизм предназначены для изменения конфигурации решетки, но также позволяют достичь любой точки в пространстве.

Модульные робототехнические системы также можно классифицировать по способу перенастройки (перемещения) блоков на место.

• Детерминированная реконфигурация полагается на юниты, перемещающиеся или управляемые напрямую в их целевое местоположение во время реконфигурации. Точное местонахождение каждой единицы всегда известно. Время реконфигурации может быть гарантировано, но для обеспечения точной манипуляции необходимо сложное управление с обратной связью. Макромасштабные системы обычно детерминированы.
• Стохастическая реконфигурация полагается на единицы, перемещающиеся с помощью статистических процессов (например, броуновского движения). Точное местоположение каждого юнита известно только тогда, когда оно подключено к основной структуре, но для перемещения между локациями могут потребоваться неизвестные пути. Время перенастройки может быть гарантировано только статистически. Стохастические архитектуры более предпочтительны на микромасштабах.

Модульные робототехнические системы также обычно классифицируются в зависимости от конструкции модулей.

• Однородный Модульные робототехнические системы имеют множество модулей одинаковой конструкции, образующих структуру, подходящую для выполнения требуемой задачи. Преимущество перед другими системами заключается в том, что их легко масштабировать (и, возможно, функционировать), добавляя дополнительные единицы. Обычно описываемым недостатком является ограничение функциональности - этим системам часто требуется больше модулей для выполнения заданной функции, чем разнородным системам.
• Неоднородный Модульные робототехнические системы имеют разные модули, каждый из которых выполняет специализированные функции, образуя структуру, подходящую для выполнения определенной задачи. Преимуществом является компактность и универсальность в проектировании и добавлении модулей для выполнения любых задач. Обычно описываемым недостатком является повышение сложности методов проектирования, изготовления и моделирования.
  

  Концептуальное представление для внутренней, внутренней и вложенной реконфигурации в таксономии реконфигурируемых роботов.

Существуют и другие модульные роботизированные системы, которые не являются самоконфигурируемыми и, таким образом, формально не принадлежат к этому семейству роботов, хотя могут иметь похожий внешний вид. Например, самосборка системы могут состоять из нескольких модулей, но не могут динамически управлять своей целевой формой. Точно так же робототехника тенсегрити может состоять из нескольких взаимозаменяемых модулей, но не может самостоятельно реконфигурироваться. Самоконфигурируемые робототехнические системы обладают реконфигурируемостью по сравнению с их аналогами с фиксированной морфологией, и это можно определить как степень / степень, в которой самоконфигурируемый робот или роботизированные системы могут трансформироваться и развиваться в другую значимую конфигурацию с определенной степенью автономии или человека. вмешательство^[3]. Реконфигурируемую систему также можно классифицировать по реконфигурируемости механизма.

• Возможность внутренней реконфигурируемости для роботов - это система, которая представляет собой единый объект, но при этом имеет возможность изменять морфологию без сборки / разборки.
• Межконфигурируемость определяется как степень, в которой роботизированная система может изменять свою морфологию путем сборки или разборки своих компонентов или модулей.
• Вложенная реконфигурируемость для робототехнической системы - это набор модульных роботов с индивидуальными характеристиками реконфигурации (внутренняя реконфигурируемость), которые комбинируются с другими однородными или гетерогенными модулями роботов (взаимная реконфигурируемость).

Мотивация и вдохновение

Есть две основные причины для разработки модульных роботизированных систем с самореконфигурацией.

• Функциональное преимущество: Самопереконфигурируемые робототехнические системы потенциально больше крепкий и больше адаптивный чем обычные системы. Возможность реконфигурации позволяет роботу или группе роботов разбирать и собирать машины, чтобы сформировать новые морфологии, которые лучше подходят для новых задач, таких как переход с ноги робот роботу-змею (змеиный робот ), а затем к катящемуся роботу. Поскольку детали робота взаимозаменяемы (внутри робота и между разными роботами), машины также могут заменять неисправные детали автономно, что приводит к самостоятельному ремонту.

Автономная модульная робототехника в космосе

• Экономическое преимущество: Самостоятельная реконфигурация робототехнических систем может потенциально снизить общую стоимость роботов за счет создания ряда сложных машин из одного (или относительно небольшого числа) типов серийно производимых модулей.

Оба эти преимущества еще полностью не реализованы. Модульный робот, вероятно, будет уступать по производительности любому индивидуальному роботу, адаптированному для конкретной задачи. Однако преимущество модульной робототехники становится очевидным только при рассмотрении нескольких задач, для которых обычно требуется набор разных роботов.

Дополнительные степени свободы делают модульных роботов более универсальными в плане их потенциальных возможностей, но также требуют компромисса в производительности и повышают механические и вычислительные сложности.

Поиски самопереконфигурируемых роботизированных структур в некоторой степени вдохновлены предполагаемыми приложениями, такими как долгосрочные космические миссии, которые требуют долгосрочной автономной роботизированной экологии, которая может справляться с непредвиденными ситуациями и может потребовать самовосстановления. Второй источник вдохновения - биологические системы, которые построены самостоятельно из относительно небольшого репертуара строительных блоков нижнего уровня (клетки или аминокислоты, в зависимости от масштаба интереса). Эта архитектура лежит в основе способности биологических систем к физической адаптации, росту, исцелению и даже самовоспроизведению - возможностей, которые были бы желательны во многих инженерных системах.

Области применения

Учитывая эти преимущества, где можно было бы использовать модульную самоконфигурируемую систему? Хотя эта система обещает быть способной к широкому спектру вещей, обнаружение "убийственное приложение "было несколько неуловимым. Вот несколько примеров:

Исследование космического пространства

Одно из приложений, которое подчеркивает преимущества самоконфигурируемых систем, - это долгосрочные космические полеты.^[4] Это требует долгосрочной автономной роботизированной экологии, которая может справиться с непредвиденными ситуациями и может потребовать самостоятельного ремонта. Самоконфигурируемые системы обладают способностью обрабатывать задачи, которые заранее неизвестны, особенно по сравнению с системами с фиксированной конфигурацией. Кроме того, космические полеты сильно ограничены по объему и массе. Отправка системы роботов, которая может перенастроить для выполнения множества задач, может быть более эффективной, чем отправка множества роботов, каждый из которых может выполнять одну задачу.

Telepario

Другой пример приложения - «телепарио», придуманное профессорами CMU Тоддом Моури и Сетом Голдштейном. Исследователи предлагают создать движущиеся, физические, трехмерные копии людей или объектов, настолько реалистичные, что человеческие органы чувств могут принять их за реальные. Это устранит необходимость в громоздком оборудовании для виртуальной реальности и преодолеет ограничения по углу обзора современных 3D-подходов. Реплики будут имитировать форму и внешний вид человека или объекта, отображаемого в режиме реального времени, а по мере перемещения оригиналов - их реплики. Одним из аспектов этого приложения является то, что основной упор при разработке делается на геометрическое представление, а не на приложение сил к окружающей среде, как в типичной задаче манипулирования роботом. Этот проект широко известен как Claytronics.^[5] или Программируемая материя (отмечая, что программируемая материя - это гораздо более общий термин, охватывающий также функциональные программируемые материалы).

Ведро с вещами

Третье долгосрочное видение этих систем было названо «ведром вещей». В этом видении потребители будущего имеют контейнер саморефигурируемых модулей, скажем, в гараже, подвале или на чердаке. Когда возникает необходимость, потребитель вызывает роботов для выполнения такой задачи, как «очистить водостоки» или «заменить масло в машине», и робот принимает необходимую форму и выполняет задачу.

История и современное состояние

Истоки концепции модульных самоконфигурируемых роботов можно проследить до «быстрой смены» концевого эффектора и автоматических устройств смены инструмента в обрабатывающих центрах с числовым программным управлением в 1970-х годах. Здесь специальные модули, каждый из которых имеет общий механизм соединения, могут быть автоматически заменены на конце роботизированной руки. Однако взятие базовой концепции общего механизма соединения и ее применение ко всему роботу было введено Тошио Фукуда с помощью CEBOT (сокращение от сотового робота) в конце 1980-х годов.

В начале 1990-х годов дальнейшее развитие проявили Грег Чирикджян, Марк Йим, Джозеф Майкл и Сатоши Мурата. Чирикджян, Майкл и Мурата разработали системы реконфигурации решетки, а Йим разработал систему на основе цепей. В то время как эти исследователи начали с акцента на машиностроение, проектирования и создания модулей, а затем разработки кода для их программирования, работа Даниэлы Рус и Вей-мин Шен позволила разработать оборудование, но оказала большее влияние на аспекты программирования. Они положили начало тенденции к доказуемым или проверяемым распределенным алгоритмам для управления большим количеством модулей.

Одной из наиболее интересных аппаратных платформ в последнее время были системы MTRAN II и III, разработанные Сатоши Мурата и др. Эта система представляет собой гибридную цепно-решетчатую систему. Его преимущество состоит в том, что он может легче решать задачи, такие как цепные системы, но при этом реконфигурировать как решетчатую систему.

Совсем недавно новые попытки стохастической самосборки были предприняты Ход Липсон и Эрик Клавинс. Большое усилие на Университет Карнеги Меллон во главе с Сетом Гольдштейном и Тоддом Моури занялись проблемами разработки миллионов модулей.

Было показано, что многие задачи достижимы, особенно с модулями реконфигурации цепочки. Это демонстрирует универсальность этих систем, однако два других преимущества, надежность и низкая стоимость не были продемонстрированы. В целом системы прототипов, разработанные в лабораториях, были хрупкими и дорогими, как и следовало ожидать при любой начальной разработке.

Растет число исследовательских групп, активно участвующих в исследованиях модульной робототехники. На сегодняшний день спроектировано и построено около 30 систем, некоторые из которых показаны ниже.

Созданы физические системы

Система	Класс, DOF	Автор	Год
CEBOT	Мобильный	Fukuda et al. (Цукуба)	1988
Полипод	цепочка, 2, 3Д	Йим (Стэнфорд)	1993
Метаморфический	решетка, 6, 2D	Чирикджян (Калифорнийский технологический институт)	1993
Fracta	решетка, 3 2D	Мурата (MEL)	1994
Фрактальные роботы	решетка, 3D	Майкл (Великобритания)	1995
Тетробот	цепочка, 1 3D	Hamline et al. (RPI)	1996
3D Fracta	решетка, 6 3D	Murata et al. (MEL)	1998
Молекула	решетка, 4 3D	Котай и Рус (Дартмут)	1998
КОНРО	цепь, 2 3D	Уилл и Шен (USC / ISI)	1998
PolyBot	цепочка, 1 3D	Yim et al. (ПАРК)	1998
TeleCube	решетка, 6 3D	Сух и др., (PARC)	1998
Вертикальный	решетка, 2D	Хосакава и др. (Рикен)	1998
Кристаллический	решетка, 4 2D	Vona & Rus, (Дартмут)	1999
I-Cube	решетка, 3D	Unsal, (CMU)	1999
Микро Блок	решетка, 2 2D	Мурата и др. (AIST)	1999
М-ТРАН I	гибрид, 2 3D	Мурата и др. (AIST)	1999
Пневматический	решетка, 2D	Иноу и др. (TiTech)	2002
Uni Rover	мобильная, 2 2D	Hirose et al., (TiTech)	2002
М-ТРАН II	гибрид, 2 3D	Мурата и др., (AIST)	2002
Атрон	решетка, 1 3D	Стой и др. (США, Дания)	2003
S-бот	мобильная, 3 2D	Mondada и др., (EPFL)	2003
Стохастик	решетка, 0 3D	Уайт, Копански, Липсон (Корнелл)	2004
Супербот	гибрид, 3 3D	Шен и др., (USC / ISI)	2004
Модули Y1	цепочка, 1 3D	Гонсалес-Гомес и др., (UAM)	2004
М-ТРАН III	гибрид, 2 3D	Курокава и др., (AIST)	2005
AMOEBA-I	Мобильная, 7 3D	Лю Дж. Г. и др., (SIA)	2005
Катом	решетка, 0 2D	Goldstein et al., (CMU)	2005
Стохастик-3D	решетка, 0 3D	Уайт, Зыков, Липсон (Корнелл)	2005
Молекубы	гибрид, 1 3D	Зыков, Митилиний, Липсон (Корнелл)	2005
Прог. части	решетка, 0 2D	Клавинс (Вашингтон)	2005
Микротрубка [6]	цепь, 2 2D	Брунете, Эрнандо, Гамбао (UPM)	2005
Miche	решетка, 0 3D	Rus et al., (MIT)	2006
Модули GZ-I	цепочка, 1 3D	Чжан и Гонсалес-Гомес (У. Гамбург, УАМ)	2006
Распределенная система полета	решетка, 6 3D	Oung & D'Andrea (ETH Zurich)	2008
Развиваться	цепочка, 2 3D	Чанг Фаньси, Фрэнсис (NUS)	2008
ЭМ-куб	Решетка, 2 2D	Ан, (Лаборатория компьютерных наук Драна)	2008
Roombots	Гибрид, 3 3D	Sproewitz, Moeckel, Ijspeert, Biorobotics Laboratory, (EPFL)	2009
Программируемый материал путем складывания	Лист, 3D	Вуд, Рус, Демейн и др. (Гарвард и Массачусетский технологический институт)	2010
Самбот	Гибрид, 3D	Хай Юань Ли, Хун Син Вэй, Тянь Мяо Ван и др. (Университет Бейхан)	2010
Moteins	Гибрид, 1 3D	Центр битов и атомов, (MIT)	2011
ModRED	Цепь, 4 3D	C-MANTIC Lab, (UNO / UNL)	2011
Программируемый смарт-лист	Лист, 3D	Ан энд Рус, (Массачусетский технологический институт)	2011
СМОРЕС	Гибрид, 4, 3D	Дэйви, Квок, Йим (UNSW, UPenn)	2012
Симбрион	Гибрид, 3D	Проекты ЕС Symbrion и Replicator[7]	2013
ReBiS - изменяемая двуногая змея[8]	Цепь, 1, 3Д	Рохан, Аджинкья, Сачин, С. Чиддарвар, К. Бхурчанди (ВНИТ, Нагпур)	2014
Мягкий мод. Роб. Кубики	Решетка, 3D	Вергара, Шенг, Мендоса-Гарсиа, Загал (УЧИЛИЯ)	2017
Космический двигатель	Гибрид, 3D	Рук Керагала (3-й вектор, Нью-Йорк)	2018
Омни-Пи-палатка	Гибрид, 3D	Пек, Тиммис, Тиррелл (Йоркский университет)	2019
Пантера [9]	Мобильная, 1D	Элара, Пратап, Хаят, Парвин (SUTD, Сингапур)	2019

Некоторые современные системы

Polybot G3 Модульный самоконфигурируемый робот

PolyBot G3 (2002 г.)

Цепная система самореконфигурации. Каждый модуль имеет ширину около 50 мм и 1 степень свободы вращения. Он является частью семейства модульных роботов PolyBot, которые продемонстрировали множество способов передвижения, включая ходьбу: двуногие, 14-ногие, обтягивающие, змеиные: гармошка в норе суслика, походки дюймового червя, прямолинейные волнообразные движения и походки по бокам, катящиеся как скорость до 1,4 м / с, езда на трехколесном велосипеде, лазание: лестницы, столбы, пандусы и т. д. Более подробную информацию можно найти на веб-странице polybot в PARC.^[10]

Метаморфоза с помощью самоконфигурируемого робота M-TRAN III

М-ТРАН III (2005)

Самоконфигурируемая система гибридного типа. Каждый модуль имеет размер двух кубов (сторона 65 мм) и имеет 2 степени свободы вращения и 6 плоских поверхностей для соединения. Это 3-й прототип М-ТРАН. По сравнению с первым (M-TRAN II) значительно улучшена скорость и надежность соединения. M-TRAN II продемонстрировал, как система цепного типа, передвижение с помощью контроллера CPG (Central Pattern Generator) в различных формах. Как система решетчатого типа, она может изменять свою конфигурацию, например, с четырехногого ходока на гусеничного робота. См. Веб-страницу M-TRAN на сайте AIST.^[11]

AMOEBA-I (2005)

AMOEBA-I, трехмодульный реконфигурируемый мобильный робот, был разработан в Шэньянском институте автоматизации (SIA) Китайской академии наук (CAS) Лю Дж. Джи и др.[1][2].AMOEBA-I имеет девять видов неизоморфных конфигураций и высокую мобильность в неструктурированных средах. Было разработано четыре поколения его платформы, и был проведен ряд исследований их механизма реконфигурации, неизоморфных конфигураций, устойчивости при опрокидывании и планирования реконфигурации. Эксперименты показали, что такая конструкция обеспечивает хорошую мобильность и высокую маневренность на пересеченной местности. AMOEBA-I является гипер-избыточным, модульным и реконфигурируемым, поэтому имеет множество возможных приложений, таких как городской поиск и спасение (USAR) и исследование космоса. [3]; Ссылка_2: см. [4]

Стохастик-3D (2005)

Высокое пространственное разрешение для формирования произвольной трехмерной формы с помощью модульных роботов может быть достигнуто с использованием решетчатой ​​системы с большим количеством очень маленьких, в перспективе микроскопических модулей. В небольших масштабах и при большом количестве модулей детерминированный контроль реконфигурации отдельных модулей станет невозможным, в то время как вероятностные механизмы, естественно, будут преобладать. Микроскопические размеры модулей сделают невозможным использование электромагнитного срабатывания и межсоединения, а также использование встроенного накопителя энергии.

Три крупномасштабных прототипа были построены в попытке продемонстрировать динамически программируемую трехмерную стохастическую реконфигурацию в среде с нейтральной плавучестью. В первом прототипе использовались электромагниты для реконфигурации и соединения модулей. Модули имели форму куба 100 мм и вес 0,81 кг. Во втором прототипе использовался механизм стохастической гидравлической реконфигурации и взаимосвязи. Его 130-миллиметровые кубические модули весили 1,78 кг каждый и делали эксперименты по реконфигурации чрезмерно медленными. Текущая третья реализация наследует принцип плавной реконфигурации. Размер решетки 80 мм, эксперименты по реконфигурации продолжаются.^[12]

Молекубы в движении

Молекубы (2005)

Эта гибридная саморефигурирующаяся система была построена Корнелл Лаборатория вычислительного синтеза для физической демонстрации искусственного кинематического самовоспроизведения. Каждый модуль представляет собой куб весом 0,65 кг с краями длиной 100 мм и одной степенью свободы вращения. Ось вращения совпадает с самой длинной диагональю куба. Продемонстрировано физическое самовоспроизведение трех- и четырехмодульного роботов. Также было показано, что, игнорируя гравитационные ограничения, бесконечное количество самовоспроизводящихся цепных мета-структур может быть построено из молекулярных кубов. Более подробную информацию можно найти на CCSL Веб-страница самовоспроизведения.

Программируемые части (2005)

Программируемые части перемешиваются случайным образом на столе для аэрохоккея с помощью произвольно запускаемых воздушных форсунок. Когда они сталкиваются и залипают, они могут общаться и решать, оставаться ли им в тупике, или нужно ли и когда отделиться. Можно разработать и оптимизировать правила локального взаимодействия, чтобы заставить роботов создавать любую желаемую глобальную форму. Более подробную информацию можно найти на веб-страница программируемых частей.

SuperBot (2006)

Модули SuperBot относятся к гибридной архитектуре. Каждый модуль имеет по три степени свободы. Дизайн основан на двух предыдущих системах: Конро (той же исследовательской группой) и MTRAN (Мурата и др.). Каждый модуль может подключаться к другому модулю через один из шести разъемов док-станции. Они могут обмениваться данными и питанием через разъемы док-станции. Для различных расстановок модулей разработано несколько движений. Для связи высокого уровня в модулях используется управление на основе гормонов, распределенный масштабируемый протокол, который не требует, чтобы модули имели уникальные идентификаторы.

Миш (2006)

Система Miche представляет собой модульную решетчатую систему, способную формировать произвольную форму. Каждый модуль представляет собой автономный модуль робота, способный подключаться и общаться со своими ближайшими соседями. Собранные в конструкцию модули образуют систему, которую можно виртуально формировать с помощью компьютерного интерфейса и распределенного процесса. Группа модулей коллективно решает, кто находится в окончательной форме, а кто не использует алгоритмы, которые минимизируют передачу и хранение информации. Наконец, модули, не входящие в состав конструкции, отпускаются и падают под действием внешней силы, в данном случае силы тяжести. Miche (Русь и др.).

10-модульная конфигурация распределенной полетной решетки в полете.

Распределенная система полета (2009)

Distributed Flight Array - это модульный робот, состоящий из однороторных блоков шестиугольной формы, которые могут принимать практически любую форму или форму. Хотя каждая единица способна генерировать достаточную тягу, чтобы оторваться от земли, сама по себе она не способна летать так же, как вертолет не может летать без рулевого винта. Однако, когда они соединены вместе, эти блоки превращаются в сложную многороторную систему, способную к скоординированному полету и многому другому. Более подробную информацию можно найти на сайте DFA.^[13]

Roombots (2009)

Roombots^[14] имеют гибридную архитектуру. Каждый модуль имеет три степени свободы, две из которых используют диаметральную ось внутри обычного куба, а третья (центральная) ось вращения соединяет две сферические части. Все три оси непрерывно вращаются. Внешняя глубина резкости Roombots использует ту же ориентацию оси, что и Molecubes, третья, центральная ось Roombots позволяет модулю вращать две внешние степени свободы относительно друг друга.Эта новая функция позволяет одному модулю Roombots перемещаться по ровной местности, а также взбираться на стену или пересекать вогнутый перпендикулярный край. Выпуклые края требуют сборки как минимум двух модулей в «Метамодуль» Roombots. Каждый модуль имеет десять доступных разъемов для подключения, в настоящее время два из них оснащены активным механизмом подключения на основе механических защелок. Роботы предназначены для решения двух задач: в конечном итоге формировать предметы повседневной жизни, например мебель и передвигаться, например в виде четвероногого робота или робота-треноги, сделанного из нескольких модулей. Более подробную информацию можно найти на веб-странице Roombots.^[15]

Самбот (2010)

Вдохновленный социальными насекомыми, многоклеточными организмами и морфогенетическими роботами, цель Самбота^[16] должен развиваться рой робототехника и провести исследование рой интеллект, самосборка и коэволюция тела и мозга для автономных морфогенных. В отличие от роевого робота, самоконфигурируемого робота и морфогенетического робота, исследование сосредоточено на самосборных модульных роботах роя, которые взаимодействуют и стыкуются в качестве автономного мобильного модуля с другими для достижения интеллекта роя и дальнейшего обсуждения автономной конструкции на космической станции и исследовательских инструментов. и искусственные сложные конструкции. Каждый робот Sambot может работать как автономный человек на колесе, и, кроме того, используя комбинацию датчиков и стыковочного механизма, робот может взаимодействовать и стыковаться с окружающей средой и другими роботами. Благодаря преимуществу движения и связи стаи самботов могут объединяться в симбиотический или цельный организм и генерировать движения, как бионические суставные роботы. В этом случае некоторые функции самосборки, самоорганизации, самопереконфигурирования и самовосстановления доступны в представлении дизайна и приложения. Внутри модульного робота, размер которого составляет 80 (Ш) X80 (Д) X102 (В) мм, встроены MCU (ARM и AVR), связь (Zigbee), датчики, питание, IMU, модули позиционирования. Более подробную информацию можно найти на «Самосборные модульные роботы Swarm».^[17]

Motein

Moteins (2011)

Математически доказано, что физические струны или цепочки простых форм можно складывать в любую непрерывную область или объемную форму. Moteins используют такие универсальные по форме стратегии складывания, с всего лишь одной (для 2D-форм) или двумя (для 3D-форм) степенями свободы и простыми исполнительными механизмами с всего двумя (для 2D-форм) или тремя (для 3D-форм) состояниями. за единицу.^[18]

Симбрион (2013)

Симбрион (Симбиотические эволюционные роботы-организмы) - это проект, финансируемый Европейской комиссией в период с 2008 по 2013 год, чтобы разработать структуру, в которой однородный рой миниатюрных взаимозависимых роботов может совместно собираться в более крупный роботизированный организм, чтобы получить импульс решения проблем. Один из ключевых аспектов Symbrion вдохновлен биологическим миром: искусственный геном, который позволяет хранить и эволюционировать неоптимальные конфигурации для увеличения скорости адаптации. Большая часть разработок в Symbrion - это открытое оборудование и программное обеспечение с открытым исходным кодом.^[19]

Космический двигатель (2018)

Космический двигатель представляет собой автономную кинематическую платформу с изменяемой морфологией, способную создавать или управлять физическим пространством (жилое пространство, рабочее пространство, пространство для отдыха). Создает собственную разнонаправленную кинетическую силу для манипулирования объектами и выполнения задач.

По крайней мере, 3 или более замков для каждого модуля, которые могут автоматически прикрепляться или отсоединяться от своих непосредственных модулей для образования жестких структур. Модули движутся в линейном движении вперед или назад только в пространственных плоскостях X, Y или Z, в то же время создавая свои собственные импульсные силы, способные двигаться за счет контролируемого изменения давления, создаваемого между одним или несколькими его непосредственными модулями.

Использование магнитного давления для притяжения и / или отталкивания своими непосредственными модулями. В то время как движущий модуль использует свои электромагниты, чтобы тянуть или толкать вперед вдоль проезжей части, созданной статистическими модулями, статистические модули тянут или толкают движущие модули вперед. Увеличение количества модулей для перемещения также увеличивает общий импульс или силы тяги / тяги. Количество электромагнитов на каждом модуле может изменяться в соответствии с требованиями конструкции.

Модули на внешней стороне матриц не могут перемещаться независимо друг от друга из-за отсутствия одной или нескольких поверхностей реакции от непосредственных модулей. Они перемещаются путем прикрепления к модулям внутри матриц, которые могут образовывать полную дорожку для перемещения.

• Объем космического двигателя
• 

  Объем космического двигателя

• 

  Конструкция ячейки невесомости космического двигателя

• 

  Конструкция гравитационной ячейки космического двигателя

Количественное достижение

• У робота с наибольшим количеством активных модулей 56 единиц
• Самая маленькая приводная модульная установка имеет размер 12 мм.^[20]

• Самый крупный (по объему) приведенный в действие модульный блок имеет размер 8 м ^ 3 <(GHFC) гигантские заполненные гелием катомы, CMU>
• Самые мощные исполнительные модули способны поднять 5 одинаковых горизонтально консольных блоков.
• Самый быстрый модульный робот может двигаться со скоростью 23 единицы в секунду.
• Самая большая смоделированная система содержала многие сотни тысяч единиц.^[21][22]

Проблемы, решения и возможности

С момента первых демонстраций первых модульных самореконфигурируемых систем размер, надежность и производительность постоянно улучшались. Параллельно совершенствовались алгоритмы планирования и управления для обработки тысяч единиц. Однако есть несколько ключевых шагов, которые необходимы этим системам, чтобы реализовать свои обещания адаптивность, надежность и низкая стоимость. Эти шаги можно разбить на задачи, связанные с проектированием оборудования, алгоритмами планирования и управления, а также с применением. Эти проблемы часто взаимосвязаны.

Проблемы проектирования оборудования

Степень, в которой могут быть реализованы перспективы самореконфигурации робототехнических систем, в решающей степени зависит от количества модулей в системе. На сегодняшний день продемонстрированы только системы, насчитывающие до 50 единиц, и это число не меняется в течение почти десятилетия. Это число определяется рядом фундаментальных ограничивающих факторов:

• Ограничения по прочности, точности и полевой устойчивости (как механической, так и электрической) соединений / стыковочных интерфейсов между модулями
• Ограничения мощности двигателя, точности движения и энергетической эффективности агрегатов (т.е. удельная мощность, удельный крутящий момент)
• Аппаратно-программный дизайн. Аппаратное обеспечение, предназначенное для облегчения проблемы с программным обеспечением. Системы с самопереконфигурированием имеют более тесную связь между аппаратным и программным обеспечением, чем любая другая существующая система.

Проблемы планирования и контроля

Хотя алгоритмы были разработаны для обработки тысяч единиц в идеальных условиях, проблемы масштабируемости остаются как на низкоуровневом управлении, так и на высокоуровневом планировании для преодоления реалистичных ограничений:

• Алгоритмы параллельного движения для крупномасштабных манипуляций и передвижения
• Алгоритмы для надежной обработки различных режимов отказа, от несоосности, мертвых блоков (не отвечающих, не освобождающихся) до блоков, которые ведут себя хаотично.
• Алгоритмы, определяющие оптимальную конфигурацию для данной задачи
• Алгоритмы оптимального (по времени, энергии) плана реконфигурации
• Эффективная и масштабируемая (асинхронная) связь между несколькими устройствами

Проблемы приложения

Несмотря на то, что преимущества модульных роботизированных систем с автоматическим изменением конфигурации широко признаны, было трудно определить конкретные области применения, в которых преимущества могут быть продемонстрированы в краткосрочной перспективе. Некоторые предлагаемые приложения:

• Исследование космического пространства и Колонизация космоса приложения, например Лунная колонизация
• Строительство больших архитектурных систем
• Глубоководные исследования / добыча
• Поиск и спасение в неструктурированной среде
• Быстрое изготовление произвольных инструментов в условиях ограниченного пространства / веса
• Убежища для вынужденных переселенцев
• Укрытия для бедных районов, для сборки которых требуется небольшой опыт на местах

Грандиозные испытания

Несколько роботизированных полей выявили Грандиозные испытания которые действуют как катализатор развития и служат краткосрочной целью при отсутствии немедленных приложения-убийцы. Большой вызов сам по себе не является исследовательской программой или важной вехой, а является средством стимулирования и оценки скоординированного прогресса в различных технических областях. В области модульной самореконфигурируемой робототехники было предложено несколько грандиозных задач:

• Демонстрация системы с> 1000 единиц. Физическая демонстрация такой системы неизбежно потребует переосмысления ключевых аппаратных и алгоритмических проблем, а также обработки шума и ошибок.
• Робосфера. Самоподдерживающаяся роботизированная экология, изолированная на длительный период времени (1 год), которая должна поддерживать работу и выполнять непредвиденные задачи без Любые присутствие человека.
• Самовоспроизведение Система с множеством модулей, способных к самовоспроизведению путем сбора разрозненных строительных блоков, потребует решения многих аппаратных и алгоритмических задач.
• Конечная конструкция Система, способная создавать объекты из компонентов, скажем, стены.
• Аналогия с биофильтром Если система когда-либо будет сделана достаточно маленькой, чтобы ее можно было вводить млекопитающему, одной из задач может быть мониторинг молекул в кровотоке и обеспечение того, чтобы одни молекулы проходили, а другие - нет, что-то вроде гематоэнцефалический барьер. В качестве проблемы можно провести аналогию, в которой система должна быть способна:
  • вставляется в отверстие диаметром один модуль.
  • пройти определенное расстояние в канале, которое составляет примерно 40 x 40 диаметров модуля по площади.
  • образуют барьер, полностью соответствующий каналу (форма которого нерегулярна и заранее неизвестна).
  • позволять некоторым объектам проходить, а другим - нет (не в зависимости от размера).
  • Поскольку зондирование не является основной задачей этой работы, фактическое обнаружение проходимых объектов должно быть тривиальным.

Индуктивные преобразователи

Уникальное потенциальное решение, которое можно использовать, - это использование индукторов в качестве преобразователей. Это может быть полезно для решения проблем стыковки и соединения. В то же время он может быть полезен благодаря своим возможностям обнаружения стыковки (выравнивание и определение расстояния), передачи энергии и (сигнала данных) связи. Можно посмотреть демонстрационное видео Вот. Довольно ограниченное исследование этого направления, вероятно, является следствием исторической нехватки каких-либо приложений для такого подхода.

Группы Google

Самостоятельная реконфигурация и модульная технология это группа для обсуждения восприятия и понимания развивающейся области робототехники.

Modular Robotics Группа Google это открытый общественный форум, посвященный анонсу событий в области модульной робототехники. Этот носитель используется для распространения звонков на семинары, специальных выпусков и других академических мероприятий, представляющих интерес для исследователей модульной робототехники. Основатели этой группы Google намереваются облегчить обмен информацией и идеями в сообществе исследователей модульной робототехники по всему миру и, таким образом, способствовать ускорению прогресса в модульной робототехнике. Любой, кто интересуется целями и прогрессом Modular Robotics, может присоединиться к этой группе Google и узнать о новых разработках в этой области.

Сайты, специально посвященные изучению этой технологии

• «Конверт гибкости». Самостоятельная реконфигурация модульной робототехники и будущее создано.
• «Самореконфигурируемая модульная технология». Коллекция веб-сайтов, веб-страниц, видеоклипов, статей и документов.

Смотрите также

• Непобедимый, научно-фантастический роман 1964 года с интригой, сосредоточенной на самоконфигурируемых роях наноботов
• Сценарий серой слизи
• Самовоспроизводящаяся машина
• Бионика
• Бесплатная робототехника
• Морфогенетическая робототехника
• Программируемая материя
• Протез
• Коммунальный туман

дальнейшее чтение

• "Самореконфигурируемые роботы: введение". Отличное введение в то, где SRCMR находятся сегодня, как они туда попали и куда нужно двигаться в будущем. Архивировано из оригинал 5 августа 2011 г.. Получено 13 июля 2011.
• Мурата, Сатоши; Курокава, Харухиса (2012). Самоорганизующиеся роботы. От биологии через роботов к молекулам. Springer Tracts в продвинутой робототехнике. 77. Дои:10.1007/978-4-431-54055-7. ISBN  978-4-431-54054-0.

использованная литература

1. П. Мубарак и др., Модульная и реконфигурируемая мобильная робототехника, Журнал робототехники и автономных систем, 60 (12) (2012) 1648 – 1663
2. Н. Бренер, Ф. Бен Амар и П. Бидо "Характеристика решетчатых модульных роботов дискретными группами перемещений ", в IEEE / RSJ Int. Конф. по интеллектуальным роботам и системам (IROS), Тапей, Тайвань, октябрь 2010 г.
3. Тан, Нин; Хаят, Абдулла Аамир; Элара, Мохан Раджеш; Вуд, Кристин Л. (2020). «Структура таксономии и оценки самореконфигурируемых робототехнических систем». Доступ IEEE. 8: 13969–13986. Дои:10.1109 / ACCESS.2020.2965327. ISSN  2169-3536. Эта статья включает текст доступно под CC BY 4.0 лицензия.
4. «Модульные реконфигурируемые роботы в космических приложениях» (PDF). Исследовательский центр Пало-Альто (PARC ). 2004.
5. Университет Карнеги-Меллона. "Claytronics - Университет Карнеги-Меллона". www.cs.cmu.edu.
6. А. Брунете, М. Эрнандо и Э. Гамбао "Модульная многоконфигурируемая архитектура для микророботов для контроля труб малого диаметра, "Труды Международной конференции IEEE 2005 г. по робототехнике и автоматизации, 2005 г., стр. 490-495.Дои:10.1109 / ROBOT.2005.1570166
7. Levi, P .; Meister, E .; van Rossum, A.C .; Крайник, Т .; Вонасек, В .; Степан, П .; Liu, W .; Каппаррелли, Ф. (31 марта 2014 г.). Материалы Международной системной конференции IEEE 2014 г. (PDF). С. 465–472. Дои:10.1109 / SysCon.2014.6819298. ISBN  978-1-4799-2086-0.
8. Рохан Таккер, Аджинкья Камат, Сачин Бхарамбе, Шитал Чиддарвар и К. М. Бхурчанди. "ReBiS - реконфигурируемый двуногий робот-змея. »В материалах Международной конференции IEEE / RSJ 2014 г. по интеллектуальным роботам и системам, 2014 г.
9. Hayat, A. A .; Parween, R .; Elara, M. R .; Parsuraman, K .; Кандасами, П.С. (май 2019 г.). «Пантера: Дизайн реконфигурируемого робота для подметания тротуаров». Международная конференция по робототехнике и автоматизации 2019 (ICRA): 7346–7352. Дои:10.1109 / ICRA.2019.8794268. ISBN  978-1-5386-6027-0.
10. "Главная". Архивировано из оригинал 4 августа 2002 г.. Получено 6 ноября 2006.
11. «М-ТРАН (Модульный трансформатор) МТРАН». unit.aist.go.jp.
12. лаборатория Cornell Creative Machines (CCSL)Стохастическая модульная робототехника.
13. Вот
14. Roombots
15. Лаборатория биоробототехники Веб-страница Roombots
16. Самбот
17. Самостоятельная сборка модульных роботов Swarm
18. Чунг, К. С., Демейн, Э. Д., Бахрах, Дж. Р. и Гриффит, С. "Программируемая сборка с универсально складывающимися струнами (Moteins), "IEEE Transactions on Robotics, том 27, № 4, стр. 718-729 (2011).
19. Симбрион
20. «Умный песок и робот-галька». Массачусетский технологический институт.
21. «DPRSim - симулятор динамического физического рендеринга». Intel.
22. Винклер, Л .; Вонасек, В .; Worn, H .; Preucil, L. "Robot3D - симулятор мобильных модульных самоконфигурируемых роботов., "Конференция IEEE по объединению мультисенсоров и интеграции для интеллектуальных систем (MFI), стр. 464 469, 13-15 сентября 2012 г. doi: 10.1109 / MFI.2012.6343016

• Модульные самореконфигурируемые роботизированные системы: вызовы и возможности будущего, Йим, Шен, Салеми, Рус, Молл, Липсон, Клавинс и Чирикджян, опубликовано в журнале IEEE Robotics & Automation Magazine, март 2007 г. [5]
• Самореконфигурируемый робот: изменяющие форму сотовые роботы могут превосходить гибкость обычных роботов, Мурата и Курокава, опубликовано в журнале IEEE Robotics & Automation Magazine, март 2007 г. [6]^{[постоянная мертвая ссылка ]}
• Методика выбора центральной конфигурации для реконфигурируемого модульного робота. Авторы: Лю Дж. Г., Ван Ю. С. и др., Опубликованные в журнале Science in China Series F: Information Sciences 2007.[7]
• Самостоятельная реконфигурация модульной робототехники: основы, популярная наука. Введение в основы SRCMR и некоторые важные последствия, которые это будет иметь. Автор Per Sjöborg 2009.[8]

внешние ссылки

• «Лаборатория распределенной робототехники». Лаборатория распределенной робототехники в Массачусетском технологическом институте.
• «Модульные роботы в PARC». Модульные реконфигурируемые роботы. Архивировано из оригинал 20 февраля 2007 г.. Получено 3 февраля 2007.
• «ModLab при Пенсильванском университете». Исследования модульной реконфигурируемой робототехники.
• «Проект Claytronics в Университете Карнеги-Меллона». Совместные исследования в программируемой области.
• «Группа модульной робототехники Южного университета Дании». Исследования в области модульной и самореконфигурируемой робототехники. Архивировано из оригинал 7 июля 2009 г.. Получено 17 июн 2009.
• «Лаборатория Фукуда». Исследования в области модульной и самореконфигурируемой робототехники и микронано-систем.
• «Лаборатория биоробототехники». Исследования в области модульной и самоконфигурируемой робототехники, биоинженерной робототехники, динамических систем (например, CPG), реабилитационной робототехники.