Самоперенастраивающийся модульный робот

Модульные самореконфигурируемые роботизированные системы или самореконфигурируемые модульные роботы — это автономные кинематические машины с переменной морфологией. Помимо обычного приведения в действие, зондирования и управления, обычно присущих роботам с фиксированной морфологией, самореконфигурируемые роботы также способны намеренно изменять свою собственную форму, перестраивая связь своих частей, чтобы адаптироваться к новым обстоятельствам, выполнять новые задачи или восстанавливаться после повреждений.

Например, робот, сделанный из таких компонентов, может принять форму червя , чтобы двигаться по узкой трубе, собраться во что-то с паучьими ногами, чтобы пересекать неровную местность, а затем сформировать третий произвольный объект (например, шар или колесо, которое может вращаться само по себе), чтобы быстро перемещаться по довольно ровной местности; его также можно использовать для создания «фиксированных» объектов, таких как стены, укрытия или здания.

В некоторых случаях это подразумевает, что каждый модуль имеет 2 или более разъемов для соединения нескольких вместе. Они могут содержать электронику , датчики , компьютерные процессоры , память и источники питания ; они также могут содержать приводы , которые используются для управления их местоположением в среде и по отношению друг к другу. В некоторых случаях обнаруживается особенность, заключающаяся в способности модулей автоматически подключаться и отключаться друг от друга, а также формироваться во множество объектов или выполнять множество задач по перемещению или манипулированию средой.

Говоря «самореконфигурируемый» или «самореконфигурируемый», мы имеем в виду, что механизм или устройство способны использовать собственную систему управления, например, с приводами или стохастическими средствами для изменения своей общей структурной формы. Иметь качество «модульности» в «самореконфигурируемой модульной робототехнике» означает, что один и тот же модуль или набор модулей может быть добавлен или удален из системы, в отличие от того, чтобы быть «модуляризованным» в более широком смысле. Основная цель состоит в том, чтобы иметь неопределенное количество идентичных модулей или конечный и относительно небольшой набор идентичных модулей в сетчатой ​​или матричной структуре самореконфигурируемых модулей.

Самореконфигурация отличается от концепции саморепликации , которая не является качеством, которым должен обладать самореконфигурируемый модуль или набор модулей. Матрица модулей не обязательно должна иметь возможность увеличивать количество модулей в своей матрице, чтобы считаться самореконфигурируемой. Достаточно, чтобы самореконфигурируемые модули производились на обычном заводе, где специальные машины штампуют или формуют компоненты, которые затем собираются в модуль, и добавляются к существующей матрице, чтобы дополнить ее для увеличения количества или для замены изношенных модулей.

Матрица, состоящая из множества модулей, может разделяться, образуя множество матриц с меньшим количеством модулей, или они могут объединяться или рекомбинироваться, образуя более крупную матрицу. Некоторые преимущества разделения на множество матриц включают возможность решать множество и более простых задач в местах, которые удалены друг от друга одновременно, проход через барьеры с отверстиями, которые слишком малы для прохождения одной более крупной матрицы, но не слишком малы для более мелких фрагментов матрицы или отдельных модулей, а также экономию энергии за счет использования только достаточного количества модулей для выполнения заданной задачи. Некоторые преимущества объединения множества матриц в одну матрицу включают возможность формировать более крупные структуры, такие как удлиненный мост, более сложные структуры, такие как робот со множеством рук или рука с большим количеством степеней свободы, и увеличение прочности. Увеличение прочности, в этом смысле, может быть в форме увеличения жесткости фиксированной или статической структуры, увеличения чистой или коллективной величины силы для подъема, опускания, толкания или вытягивания другого объекта или другой части матрицы или любой комбинации этих функций.

Существует два основных метода артикуляции сегментов, которые самореконфигурируемые 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 набора с унифицированными стыковочными интерфейсами, которые позволяют передавать механические силы и моменты, электроэнергию и связь по всему роботу.

Модульные строительные блоки обычно состоят из некоторого основного структурного приводного блока и потенциально дополнительных специализированных блоков, таких как захваты, опоры, колеса, камеры, полезная нагрузка, а также накопитель и генератор энергии.

Таксономия архитектур

Модульные самоперенастраиваемые роботизированные системы можно в целом классифицировать на несколько архитектурных групп по геометрическому расположению их блока (решетка против цепи). Некоторые системы демонстрируют гибридные свойства, и модульные роботы также были классифицированы на две категории: Мобильное изменение конфигурации (MCC) и Движение всего тела (WBL). ^[1]

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

• Архитектура решетки имеет свои блоки, соединяющие свои интерфейсы стыковки в точках в виртуальные ячейки некоторой регулярной сетки. Эту сеть точек стыковки можно сравнить с атомами в кристалле, а сетку — с решеткой этого кристалла. Поэтому кинематические характеристики решетчатых роботов можно охарактеризовать с помощью соответствующих им кристаллографических групп смещения (хиральных пространственных групп ). ^[2] Обычно для выполнения шага реконфигурации достаточно нескольких блоков. Архитектура решетки допускает более простую механическую конструкцию и более простое вычислительное представление и планирование реконфигурации, которые можно легче масштабировать до сложных систем.
• Цепная архитектура не использует виртуальную сеть точек стыковки для своих блоков. Блоки способны достигать любой точки в пространстве и поэтому более универсальны, но для достижения точки может потребоваться цепочка из многих блоков, что обычно затрудняет выполнение шага реконфигурации. Такие системы также более сложны в вычислительном отношении для представления и анализа.
• Гибридная архитектура использует преимущества обеих предыдущих архитектур. Управление и механизм разработаны для реконфигурации решетки, но также позволяют достичь любой точки пространства.

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

• Детерминированная реконфигурация основана на перемещении или прямом манипулировании единицами в их целевое местоположение во время реконфигурации. Точное местоположение каждой единицы известно в любое время. Время реконфигурации может быть гарантировано, но для обеспечения точной манипуляции необходимо сложное управление обратной связью. Макромасштабные системы обычно детерминированы.
• Стохастическая реконфигурация основана на перемещении единиц с использованием статистических процессов (вроде броуновского движения). Точное местоположение каждой единицы известно только тогда, когда она подключена к основной структуре, но для перемещения между локациями могут потребоваться неизвестные пути. Время реконфигурации может быть гарантировано только статистически. Стохастические архитектуры более благоприятны в микромасштабах.

Модульные робототехнические системы также принято классифицировать в зависимости от конструкции модулей.

• Однородные модульные роботизированные системы имеют много модулей одинаковой конструкции, образующих структуру, подходящую для выполнения требуемой задачи. Преимущество перед другими системами заключается в том, что их легко масштабировать по размеру (и, возможно, функции) путем добавления дополнительных блоков. Обычно описываемым недостатком являются ограничения функциональности — таким системам часто требуется больше модулей для достижения заданной функции, чем неоднородным системам.
• Гетерогенные модульные роботизированные системы имеют различные модули, каждый из которых выполняет специализированные функции, образуя структуру, подходящую для выполнения задачи. Преимуществом является компактность и универсальность в проектировании и добавлении блоков для выполнения любой задачи. Обычно описываемым недостатком является увеличение сложности методов проектирования, производства и моделирования.

  

  Концептуальное представление для внутри-, меж- и вложенной реконфигурации в рамках таксономии реконфигурируемых роботов

Существуют и другие модульные роботизированные системы, которые не являются самоперестраиваемыми, и, таким образом, формально не принадлежат к этому семейству роботов, хотя они могут иметь схожий внешний вид. Например, самособирающиеся системы могут состоять из нескольких модулей, но не могут динамически контролировать свою целевую форму. Аналогично, тенсегрити-робототехника может состоять из нескольких взаимозаменяемых модулей, но не может самоперестраиваться. Самоперестраиваемые роботизированные системы характеризуются реконфигурируемостью по сравнению с их аналогами с фиксированной морфологией, и ее можно определить как степень, в которой самоперестраиваемый робот или роботизированные системы могут трансформироваться и развиваться в другую значимую конфигурацию с определенной степенью автономности или вмешательства человека. ^[3] Реконфигурируемая система также может быть классифицирована в соответствии с механизмом реконфигурируемости.

• Внутрисистемная реконфигурируемость для роботов определяется как система, которая представляет собой единое целое и в то же время способна изменять морфологию без сборки/разборки.
• Взаимореконфигурируемость определяется тем, в какой степени роботизированная система может изменять свою морфологию посредством сборки или разборки своих компонентов или модулей.
• Вложенная реконфигурируемость для робототехнической системы представляет собой набор модульных роботов с индивидуальными характеристиками реконфигурации (внутрисистемная реконфигурируемость), которые объединяются с другими однородными или неоднородными модулями робота (взаимная реконфигурируемость).

Мотивация и вдохновение

Существуют две основные мотивации для проектирования модульных самореконфигурируемых роботизированных систем.

• Функциональное преимущество : Самонастраивающиеся роботизированные системы потенциально более надежны и адаптивны , чем обычные системы. Способность к перенастройке позволяет роботу или группе роботов разбирать и собирать машины для формирования новых морфологий, которые лучше подходят для новых задач, таких как переход от шагающего робота к роботу-змее ( snakebot ), 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 самовосстановлению.

Автономная модульная робототехника в космосе

• Экономическое преимущество : Самонастраивающиеся роботизированные системы могут потенциально снизить общую стоимость робота за счет создания ряда сложных машин из одного (или относительно небольшого числа) типов модулей массового производства.

Оба эти преимущества еще не полностью реализованы. Модульный робот, скорее всего, будет уступать по производительности любому отдельному роботу, разработанному для определенной задачи. Однако преимущество модульной робототехники становится очевидным только при рассмотрении нескольких задач, которые обычно требуют набора различных роботов.

Дополнительные степени свободы делают модульных роботов более универсальными в плане их потенциальных возможностей, но также влекут за собой ухудшение производительности и увеличение механической и вычислительной сложности.

Поиски самоперенастраиваемых роботизированных структур в некоторой степени вдохновлены предполагаемыми приложениями, такими как долгосрочные космические миссии, которые требуют долгосрочную самоподдерживающуюся роботизированную экологию, которая может справляться с непредвиденными ситуациями и может потребовать саморемонта. Вторым источником вдохновения являются биологические системы, которые самоконструируются из относительно небольшого репертуара низкоуровневых строительных блоков (клеток или аминокислот, в зависимости от масштаба интереса). Эта архитектура лежит в основе способности биологических систем физически адаптироваться, расти, исцеляться и даже самовоспроизводиться — возможности, которые были бы желательны во многих инженерных системах.

Области применения

Учитывая эти преимущества, где можно использовать модульную самонастраиваемую систему? Хотя система обещает быть способной делать широкий спектр вещей, найти " убийственное приложение " было довольно трудно. Вот несколько примеров:

Исследование космоса

Одной из областей применения, которая подчеркивает преимущества самореконфигурируемых систем, являются долгосрочные космические миссии. ^[4] Для них требуется долгосрочная самоподдерживающаяся роботизированная экология, которая может справляться с непредвиденными ситуациями и может потребовать саморемонта. Самореконфигурируемые системы способны справляться с задачами, которые неизвестны априори, особенно по сравнению с системами с фиксированной конфигурацией. Кроме того, космические миссии сильно ограничены по объему и массе. Отправка роботизированной системы, которая может реконфигурироваться для выполнения многих задач, может быть более эффективной, чем отправка многих роботов, каждый из которых может выполнять одну задачу.

Телепарио

Другой пример приложения был придуман профессорами CMU Тоддом Моури и Сетом Голдштейном как «телепарио». Исследователи предлагают создать движущиеся, физические, трехмерные копии людей или объектов, настолько реалистичные, что человеческие чувства воспримут их как реальные. Это устранит необходимость в громоздком оборудовании виртуальной реальности и преодолеет ограничения угла обзора современных 3D-подходов. Копии будут имитировать форму и внешний вид человека или объекта, отображаемого в реальном времени, и по мере перемещения оригиналов будут перемещаться и их копии. Одним из аспектов этого приложения является то, что основным направлением разработки является геометрическое представление, а не приложение сил к окружающей среде, как в типичной задаче роботизированной манипуляции. Этот проект широко известен как claytronics ^[5] или программируемая материя (отметим, что программируемая материя — это гораздо более общий термин, охватывающий также функциональные программируемые материалы).

Ведро всякой всячины

Третье долгосрочное видение этих систем называется «ведро с вещами» и представляет собой контейнер, заполненный модульными роботами, которые могут принимать команды пользователя и принимать соответствующую форму для выполнения домашних дел. ^{[6] [7]}

История и современное состояние

Корни концепции модульных самонастраиваемых роботов можно проследить до «быстросменного» конечного эффектора и автоматических сменщиков инструмента в обрабатывающих центрах с числовым программным управлением в 1970-х годах. Здесь специальные модули, каждый с общим механизмом соединения, могли автоматически заменяться на конце роботизированной руки. Однако, взяв базовую концепцию общего механизма соединения и применив ее ко всему роботу, Тошио Фукуда представил CEBOT (сокращение от «клеточный робот») в конце 1980-х годов.

В начале 1990-х годов Грегори С. Чирикджян , Марк Йим, Джозеф Майкл и Сатоши Мурата продолжили разработку . Чирикджян, Майкл и Мурата разработали системы реконфигурации решеток, а Йим разработал систему на основе цепей. В то время как эти исследователи начинали с упора на машиностроение, проектируя и создавая модули, а затем разрабатывая код для их программирования, работа Даниэлы Рус и Вэй-минь Шен разрабатывала аппаратное обеспечение, но оказала большее влияние на аспекты программирования. Они положили начало тенденции к доказуемым или проверяемым распределенным алгоритмам для управления большим количеством модулей.

Одной из самых интересных аппаратных платформ в последнее время стали системы MTRAN II и III, разработанные Сатоши Мурата и др. Эта система представляет собой гибридную цепочку и решетчатую систему. Ее преимущество в том, что она позволяет выполнять задачи легче, как цепочные системы, но при этом перенастраиваться, как решетчатая система.

Совсем недавно новые усилия в области стохастической самосборки были предприняты Ходом Липсоном и Эриком Клэвинсом. Крупные усилия в Университете Карнеги-Меллона под руководством Сета Голдштейна и Тодда Моури начали изучать проблемы разработки миллионов модулей.

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

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

Некоторые текущие системы

Polybot G3 Модульный самореконфигурируемый робот

Полибот G3 (2002)

Система самореконфигурации цепи. Каждый модуль имеет размер около 50 мм по стороне и 1 вращательную степень свободы. Он является частью семейства модульных роботов PolyBot, которое продемонстрировало множество режимов передвижения, включая ходьбу: двуногий, 14-ногий, гибкий, змееподобный: концертино в норе суслика, походка дюймового червя, прямолинейная волнообразная и боковая походка, катание как гусеница со скоростью до 1,4 м/с, езда на трехколесном велосипеде, восхождение: по лестницам, столбам, трубам, пандусам и т. д. Более подробную информацию можно найти на веб-странице polybot в PARC. ^[15]

Метаморфозы самонастраивающегося робота M-TRAN III

М-ТРАН III (2005)

Самонастраивающаяся система гибридного типа. Каждый модуль имеет размер двух кубов (сторона 65 мм) и имеет 2 вращающиеся степени свободы и 6 плоских поверхностей для соединения. Это третий прототип M-TRAN. По сравнению с предыдущим (M-TRAN II) скорость и надежность соединения значительно улучшены. Как система цепного типа, движение с помощью контроллера CPG (Central Pattern Generator) в различных формах было продемонстрировано M-TRAN II. Как система решетчатого типа, она может менять свою конфигурацию, например, от 4-ногого шагающего до гусеничного робота. См. веб-страницу M-TRAN на сайте AIST. ^[16]

АМЁБА-I (2005)

AMOEBA-I, трехмодульный реконфигурируемый мобильный робот, был разработан в Шэньянском институте автоматизации (SIA), Китайской академии наук (CAS) Лю Дж. Г. 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 по их механизму реконфигурации, неизоморфным конфигурациям, устойчивости к опрокидыванию и планированию реконфигурации. Эксперименты показали, что такая структура обеспечивает хорошую мобильность и высокую гибкость на неровной местности. Будучи гиперизбыточным, модульным и реконфигурируемым, AMOEBA-I имеет множество возможных применений, таких как поиск и спасение в городских условиях (USAR) и исследование космоса. Ref_1: см. [3]; Ref_2: см. [4]

Стохастический-3D (2005)

Высокое пространственное разрешение для произвольного трехмерного формирования формы с помощью модульных роботов может быть достигнуто с помощью решетчатой ​​системы с большим количеством очень маленьких, потенциально микроскопических модулей. В малых масштабах и с большим количеством модулей детерминированный контроль над реконфигурацией отдельных модулей станет невозможным, в то время как стохастические механизмы естественным образом будут преобладать. Микроскопический размер модулей сделает использование электромагнитного приведения в действие и взаимосвязи невозможным, как и использование бортового накопителя энергии.

Три крупномасштабных прототипа были построены в попытке продемонстрировать динамически программируемую трехмерную стохастическую реконфигурацию в среде с нейтральной плавучестью. Первый прототип использовал электромагниты для реконфигурации и взаимосвязи модулей. Модули были кубами размером 100 мм и весили 0,81 кг. Второй прототип использовал стохастический жидкостный механизм реконфигурации и взаимосвязи. Его кубические модули размером 130 мм весили 1,78 кг каждый и делали эксперименты по реконфигурации чрезмерно медленными. Текущая третья реализация наследует принцип жидкостной реконфигурации. Размер решетчатой ​​сетки составляет 80 мм, и эксперименты по реконфигурации продолжаются. ^[17]

Молекулы в движении

Молекулы (2005)

Эта гибридная самореконфигурирующаяся система была создана Корнеллской лабораторией вычислительного синтеза для физической демонстрации искусственного кинематического самовоспроизведения. Каждый модуль представляет собой куб весом 0,65 кг с ребрами длиной 100 мм и одной вращательной степенью свободы. Ось вращения совмещена с самой длинной диагональю куба. Было продемонстрировано физическое самовоспроизведение как трех-, так и четырехмодульного робота. ^[18] Было также показано, что, игнорируя ограничения гравитации, из молекул можно построить бесконечное количество самовоспроизводящихся цепных метаструктур. Более подробную информацию можно найти на странице самовоспроизведения Creative Machines Lab.

Программируемые детали (2005)

Программируемые детали случайным образом перемешиваются на столе для аэрохоккея случайным образом активируемыми воздушными струями. Когда они сталкиваются и прилипают, они могут общаться и решать, оставаться ли прилипшими или отцепляться и когда. Можно разработать и оптимизировать локальные правила взаимодействия, чтобы направлять роботов для создания любой желаемой глобальной формы. Более подробную информацию можно найти на веб-странице программируемых деталей.

СуперБот (2006)

Модули SuperBot относятся к гибридной архитектуре. Каждый модуль имеет три степени свободы. Конструкция основана на двух предыдущих системах: Conro (той же исследовательской группы) и MTRAN (Мураты и др.). Каждый модуль может подключаться к другому модулю через один из шести своих док-разъемов. Они могут общаться и делиться питанием через свои док-разъемы. Было разработано несколько локомоционных походок для различных расположений модулей. Для высокоуровневой коммуникации модули используют гормональное управление, распределенный масштабируемый протокол, который не требует от модулей уникальных идентификаторов.

Миш (2006)

Система Miche представляет собой модульную решетчатую систему, способную формировать произвольные формы. Каждый модуль представляет собой автономный роботизированный модуль, способный подключаться и взаимодействовать со своими непосредственными соседями. При сборке в структуру модули образуют систему, которую можно виртуально формировать с помощью компьютерного интерфейса и распределенного процесса. Группа модулей коллективно решает, кто находится в конечной форме, а кто нет, используя алгоритмы, которые минимизируют передачу и хранение информации. Наконец, модули, не входящие в структуру, отпускают и падают под контролем внешней силы, в данном случае гравитации. Подробнее на сайте Miche (Rus et al.).

Конфигурация из 10 модулей распределенной полетной решетки в полете

Распределенный полетный массив (2009)

Distributed Flight Array — это модульный робот, состоящий из шестиугольных однороторных блоков, которые могут принимать практически любую форму. Хотя каждый блок способен генерировать достаточно тяги, чтобы оторваться от земли, сам по себе он не способен летать, как вертолет не может летать без хвостового винта. Однако при объединении эти блоки превращаются в сложную многороторную систему, способную к скоординированному полету и многому другому. Более подробную информацию можно найти на сайте DFA. ^[19]

Румботы (2009)

Roombots ^[20] имеют гибридную архитектуру. Каждый модуль имеет три степени свободы, две из которых используют диаметральную ось внутри правильного куба, а третья (центральная) ось вращения соединяет две сферические части. Все три оси непрерывно вращаются. Внешняя DOF Roombots использует ту же ориентацию осей, что и Molecubes, третья, центральная ось Roombots позволяет модулю вращать две внешние DOF друг относительно друга. Эта новая функция позволяет одному модулю Roombots передвигаться 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 слотов для разъемов, в настоящее время два из них оснащены активным механизмом соединения на основе механических защелок. Roombots предназначены для двух задач: в конечном итоге формировать предметы повседневной жизни, например, мебель, и передвигаться, например, как четвероногий или трехногий робот, состоящий из нескольких модулей. Более подробную информацию можно найти на веб-странице Roombots. ^[21]

Самбо (2010)

Вдохновленный социальными насекомыми, многоклеточными организмами и морфогенетическими роботами, целью Sambot ^[22] является разработка роевой робототехники и проведение исследований роевого интеллекта , самосборки и совместной эволюции тела и мозга для автономных морфогенетических. В отличие от роевого робота, самореконфигурируемого робота и морфогенетического робота, исследование сосредоточено на самосборочных роевых модульных роботах, которые взаимодействуют и стыкуются как автономный мобильный модуль с другими для достижения роевого интеллекта и дальнейшего обсуждения автономного строительства на космической станции, а также исследовательских инструментов и искусственных сложных структур. Каждый робот Sambot может работать как автономная особь в 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 рои Sambot могут объединяться в симбиотический или целый организм и генерировать локомоцию как бионические суставные роботы. В этом случае некоторые функции и исследования самосборки, самоорганизации, самореконфигурации и самовосстановления доступны в виде дизайна и приложения. Внутри модульного робота, размер которого составляет 80(Ш)X80(Д)X102(В) мм, встроены MCU (ARM и AVR), коммуникационные (Zigbee), датчики, питание, IMU, модули позиционирования. Более подробную информацию можно найти на сайте "Self-assembly Swarm Modular Robots". ^[23]

Мотейн

Мотейнс (2011)

Математически доказано, что физические струны или цепи простых форм могут быть сложены в любую непрерывную область или объемную форму. Moteins используют такие универсальные для формы стратегии сворачивания, с всего лишь одной (для 2D-форм) или двумя (для 3D-форм) степенями свободы и простыми приводами с всего лишь двумя (для 2D-форм) или тремя (для 3D-форм) состояниями на единицу. ^[24]

Симбрион (2013)

Symbrion (Symbiotic Evolutionary Robot Organisms) — проект, финансируемый Европейской комиссией в период с 2008 по 2013 год для разработки структуры, в которой однородный рой миниатюрных взаимозависимых роботов может объединиться в более крупный роботизированный организм, чтобы получить импульс для решения проблем. Один из ключевых аспектов Symbrion вдохновлен биологическим миром: искусственный геном, который позволяет хранить и развивать неоптимальные конфигурации для увеличения скорости адаптации. Большая часть разработок в Symbrion — это программное обеспечение с открытым исходным кодом и открытым аппаратным обеспечением. ^[25]

Космический двигатель (2018)

Space Engine — это автономная кинематическая платформа с изменяемой морфологией, способная создавать или манипулировать физическим пространством (жилое пространство, рабочее пространство, пространство для отдыха). Генерирующая собственную многонаправленную кинетическую силу для манипулирования объектами и выполнения задач.

По крайней мере 3 или более замков для каждого модуля, способных автоматически присоединяться или отсоединяться от своих непосредственных модулей для формирования жестких структур. Модули движутся в линейном движении вперед или назад только в пространственных плоскостях X, Y или Z, создавая при этом свои собственные силы импульса, способные двигаться за счет контролируемого изменения давления, создаваемого между одним или несколькими из его непосредственных модулей.

Использование магнитного давления для притяжения и/или отталкивания его непосредственными модулями. В то время как движущий модуль использует свои электромагниты для тяги или толкания вперед по дороге, созданной статистическими модулями, статистические модули тянут или толкают движущие модули вперед. Увеличение количества модулей для смещения также увеличивает общий импульс или силы тяги/толкания. Количество электромагнитов на каждом модуле может меняться в соответствии с требованиями конструкции.

Модули на внешней стороне матриц не могут перемещаться самостоятельно, из-за отсутствия одной или нескольких реакционных граней у непосредственных модулей. Они перемещаются путем присоединения к модулям внутри матриц, которые могут образовывать полную дорогу для перемещения.

• Рабочий объем космического двигателя
• 
  Рабочий объем космического двигателя
• 
  Космический двигатель Конструкция ячейки невесомости
• 
  Конструкция гравитационной ячейки космического двигателя

Количественное достижение

• Робот с наибольшим количеством активных модулей имеет 56 единиц <polybot centipede, PARC>
• Наименьший активируемый модульный блок имеет размер 12 мм ^[26]
• Самый большой приводимый в действие модульный блок (по объему) имеет размер 8 м^3 <(GHFC)гигантские гелиевые заполненные катоды, CMU>
• Самые мощные исполнительные модули способны поднять 5 одинаковых горизонтально консольных блоков.<PolyBot g1v5, PARC>
• Самый быстрый модульный робот может двигаться со скоростью 23 единицы/секунду.<CKbot, динамическое вращение, ISER'06>
• Самая большая смоделированная система содержала многие сотни тысяч единиц. ^{[27] [28]}

Проблемы, решения и возможности

С момента первых демонстраций ранних модульных самонастраивающихся систем размер, надежность и производительность постоянно улучшались. Параллельно с этим алгоритмы планирования и управления развивались, чтобы управлять тысячами единиц. Однако есть несколько ключевых шагов, которые необходимы для того, чтобы эти системы реализовали свое обещание адаптивности, надежности и низкой стоимости . Эти шаги можно разбить на проблемы в проектировании оборудования, в алгоритмах планирования и управления и в применении. Эти проблемы часто переплетаются.

Проблемы проектирования оборудования

Степень, в которой обещание самонастраивающихся роботизированных систем может быть реализовано, критически зависит от количества модулей в системе. На сегодняшний день были продемонстрированы только системы с количеством до 50 единиц, причем это число стагнирует на протяжении почти десятилетия. Существует ряд фундаментальных ограничивающих факторов, которые управляют этим числом:

• Ограничения по прочности, точности и полевой надежности (как механической, так и электрической) интерфейсов соединения/стыковки между модулями
• Ограничения по мощности двигателя, точности движения и энергетической эффективности агрегатов (т.е. удельной мощности, удельному крутящему моменту)
• Аппаратное/программное обеспечение. Аппаратное обеспечение, разработанное для упрощения программной проблемы. Самонастраивающиеся системы имеют более тесно связанные аппаратное и программное обеспечение, чем любая другая существующая система.

Проблемы планирования и контроля

Несмотря на то, что были разработаны алгоритмы для обработки тысяч единиц в идеальных условиях, проблемы масштабируемости остаются как на низкоуровневом уровне управления, так и на высоком уровне планирования для преодоления реалистичных ограничений:

• Алгоритмы параллельного движения для крупномасштабных манипуляций и передвижения
• Алгоритмы для надежной обработки различных видов отказов: от несоосности, неработающих узлов (не реагирующих, не отпускающих) до узлов, которые ведут себя неустойчиво.
• Алгоритмы, определяющие оптимальную конфигурацию для заданной задачи
• Алгоритмы оптимального (время, энергия) плана реконфигурации
• Эффективная и масштабируемая (асинхронная) связь между несколькими устройствами

Проблемы с применением

Хотя преимущества модульных самонастраивающихся роботизированных систем широко признаны, было трудно определить конкретные области применения, где преимущества могут быть продемонстрированы в краткосрочной перспективе. Некоторые предлагаемые приложения

• Применение в исследовании космоса и колонизации космоса , например, колонизация Луны
• Строительство крупных архитектурных систем
• Глубоководная разведка/добыча полезных ископаемых
• Поиск и спасение в неструктурированной среде
• Быстрое создание произвольных инструментов в условиях ограничений по пространству и весу
• Приюты для перемещенных лиц в случае стихийных бедствий
• Приюты для бедных районов, для сборки которых не требуется большого опыта на местах

Великие Вызовы

Несколько областей робототехники определили Грандиозные вызовы , которые действуют как катализатор для развития и служат краткосрочной целью в отсутствие немедленных убойных приложений . Грандиозный вызов сам по себе не является исследовательской программой или вехой, а средством стимулирования и оценки скоординированного прогресса на нескольких технических рубежах. Для области модульной самореконфигурируемой робототехники было предложено несколько Грандиозных вызовов:

• Демонстрация системы с >1000 единиц . Физическая демонстрация такой системы неизбежно потребует переосмысления ключевых аппаратных и алгоритмических вопросов, а также обработки шума и ошибок.
• Робосфера . Самоподдерживающаяся роботизированная экосистема, изолированная на длительный период времени (1 год), которая должна поддерживать работу и выполнять непредвиденные задачи без присутствия человека.
• Саморепликация Система со множеством единиц, способных к саморепликации путем сбора разрозненных строительных блоков, потребует решения множества аппаратных и алгоритмических задач.
• Ultimate Construction Система, способная создавать объекты из компонентов, например, стены.
• Аналогия биофильтра Если система когда-либо будет сделана достаточно маленькой для инъекции млекопитающему, одной из задач может быть мониторинг молекул в кровотоке и разрешение некоторым из них проходить, а другим нет, что-то вроде гематоэнцефалического барьера . В качестве вызова можно провести аналогию, где система должна быть способна:
  • вставить в отверстие диаметром в один модуль.
  • пройти определенное расстояние по каналу, площадь которого составляет, скажем, примерно 40 x 40 диаметров модуля.
  • образуют барьер, полностью соответствующий каналу (форма которого нерегулярна и заранее неизвестна).
  • пропускать некоторые объекты, а другие нет (независимо от размера).
  • Поскольку зондирование не является целью данной работы, фактическое обнаружение проходимых объектов должно быть тривиальным.

Индуктивные преобразователи

Уникальным потенциальным решением, которое может быть использовано, является использование индукторов в качестве преобразователей. Это может быть полезно для решения проблем стыковки и соединения. В то же время это может быть также полезно для его возможностей обнаружения стыковки (выравнивания и определения расстояния), передачи энергии и (сигнала данных) связи. Видеоролик с подтверждением концепции можно посмотреть здесь. Довольно ограниченное исследование в этом направлении, вероятно, является следствием исторического отсутствия необходимости в каких-либо приложениях для такого подхода.

Группы Google

«Самореконфигурируемая и модульная технология» — это группа для обсуждения восприятия и понимания развивающейся области робототехники.

Группа Google Modular Robotics — это открытый публичный форум, посвященный анонсам событий в области модульной робототехники. Эта среда используется для распространения приглашений на семинары, специальные выпуски и другие академические мероприятия, представляющие интерес для исследователей модульной робототехники. Основатели этой группы Google намерены 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 модульной робототехники, может присоединиться к этой группе Google и узнать о новых разработках в этой области.

Сайты, специально посвященные изучению этой технологии

• «Гибкость конверта». Самореконфигурируемая модульная робототехника и созданное будущее .
• «Самореконфигурируемая модульная технология». Сборник веб-сайтов, веб-страниц, видеоклипов, статей и документов .

Смотрите также

• «Непобедимый» — научно-фантастический роман 1964 года, интрига которого сосредоточена вокруг самоконфигурирующихся роев наноботов.
• сценарий «серой слизи»
• Самовоспроизводящаяся машина
• Бионика
• Бесплатная робототехника
• Морфогенетическая робототехника
• Программируемая материя
• Протез
• Туман для коммунальных нужд

Дальнейшее чтение

• "Self-Reconfigurable Robots An Introduction". Отличное введение в то, где SRCMR находится сегодня, как он туда попал и куда ему нужно двигаться в будущем . Архивировано из оригинала 5 августа 2011 г. Получено 13 июля 2011 г.
• Мурата, Сатоши; Курокава, Харухиса (2012). Самоорганизующиеся роботы . Springer Tracts in Advanced Robotics. Том 77. doi :10.1007/978-4-431-54055-7. ISBN 978-4-431-54054-0. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )

Ссылки

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 с помощью дискретных групп смещения», на Международной конференции IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS) , Тайбэй, Тайвань, октябрь 2010 г.
3. Тан, Нинг; Хаят, Абдулла Аамир; Элара, Мохан Раджеш; Вуд, Кристин Л. (2020). «Структура таксономии и оценки самореконфигурируемых роботизированных систем». IEEE Access . 8 : 13969–13986. Bibcode : 2020IEEEA...813969T. doi : 10.1109/ACCESS.2020.2965327 . ISSN  2169-3536.  В данной статье используется текст, доступный по лицензии CC BY 4.0.
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. Фечко, Яцек; Манка, Михал; Крол, Павел; Гергель, Мариуш; Уль, Тадеуш; Петшик, Анджей (июль 2015 г.). «Обзор модульных самореконфигурируемых робототехнических систем». 2015 10-й Международный семинар по движению и управлению роботами (RoMoCo) . стр. 182–187. дои : 10.1109/RoMoCo.2015.7219733. ISBN 978-1-4799-7043-8. S2CID  34234072.
7. Маккензи, Дана; Манка, Михал; Крол, Павел; Гергель, Мариуш; Уль, Тадеуш; Петшик, Анджей (8 августа 2003 г.). «Оборотни идут по сложному пути к реальности». Наука . 301 (5634): 754–756. дои : 10.1126/science.301.5634.754. PMID  12907773. S2CID  28194165.
8. Программируемые материалы. Джозеф Майкл. Патент Великобритании GB2287045B выдан 1997-05-14.
9. Фрактальные роботы Архивировано из оригинала
10. А. Брунете, М. Эрнандо и Э. Гамбао, «Модульная многоконфигурируемая архитектура для микророботов для осмотра труб малого диаметра», Труды Международной конференции IEEE 2005 года по робототехнике и автоматизации, 2005, стр. 490-495. doi :10.1109/ROBOT.2005.1570166
11. Леви, П.; Майстер, Э.; ван Россум, А. С.; Крайник, Т.; Вонасек, В.; Степан, П.; Лю, В.; Каппаррелли, Ф. (31 марта 2014 г.). «Когнитивная архитектура для модульных и самореконфигурируемых роботов» (PDF) . Труды Международной системной конференции IEEE 2014 г. Системная конференция (SysCon), 8-я ежегодная конференция IEEE 2014 г. стр. 465–472. doi :10.1109/SysCon.2014.6819298. ISBN 978-1-4799-2086-0. S2CID  30709324.
12. Рохан Таккер, Аджинкья Камат, Сачин Бхарамбе, Шитал Чиддарвар и КМ Бхурчанди. «ReBiS — реконфигурируемый двуногий робот-змея». В трудах Международной конференции IEEE/RSJ 2014 года по интеллектуальным роботам и системам, 2014.
13. Хаят, AA; Парвин, Р.; Элара, MR; Парсураман, K.; Кандасами, PS (май 2019 г.). «Пантера: проектирование реконфигурируемого робота для подметания тротуаров». Международная конференция по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2019 г. стр. 7346–7352. doi :10.1109/ICRA.2019.8794268. ISBN 978-1-5386-6027-0. S2CID  199541251.
14. Лиллиан Чин; Макс Бернс; Грегори Кси; Даниэла Рус. «Передвижение в стиле Flipper с помощью мощных расширяющихся модульных роботов» в IEEE Robotics and Automation Letters (Том: 8, Выпуск: 2, Страницы: 528–535, Февраль 2023 г.)
15. "Home". Архивировано из оригинала 4 августа 2002 года . Получено 6 ноября 2006 года .
16. "M-TRAN(Modular Transformer)MTRAN". unit.aist.go.jp . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года.
17. Лаборатория творческих машин Корнелла (CCSL) Стохастическая модульная робототехника.
18. Зыков, Виктор; Митилинайос, Эфстатиос; Адамс, Брайант; Липсон, Ход (2005). «Самовоспроизводящиеся машины». Nature . 435 (7039). Springer Science and Business Media LLC: 163–164. doi :10.1038/435163a. ​​ISSN  0028-0836. PMID  15889080. S2CID  4362474.
19. здесь
20. Румботы
21. Веб-страница лаборатории биоробототехники Roombots
22. Самбо
23. Самосборные модульные роботы Swarm
24. Чунг, К. С., Демейн, Э. Д., Бахрах, Дж. Р. и Гриффит, С., «Программируемая сборка с универсально складывающимися строками (Moteins)», IEEE Transactions on Robotics, т. 27, № 4, стр. 718-729 (2011).
25. Симбрион
26. «Умный песок и роботизированные камешки». Массачусетский технологический институт. 2 апреля 2012 г.
27. "DPRSim - Динамический физический симулятор рендеринга". Intel.
28. Winkler, L.; Vonasek, V.; Worn, H.; Preucil, L., «Robot3D — симулятор для мобильных модульных самореконфигурируемых роботов», Конференция IEEE по мультисенсорному слиянию и интеграции для интеллектуальных систем (MFI), стр. 464,469, 13–15 сентября 2012 г. doi: 10.1109/MFI.2012.6343016

• Модульные самореконфигурируемые робототехнические системы: проблемы и возможности будущего, авторы Йим, Шен, Салеми, Рус, Молл, Липсон, Клавинс и Чирикджян, опубликовано в журнале IEEE Robotics & Automation Magazine в марте 2007 г. [5]
• Самостоятельно реконфигурируемый робот: изменяющие форму клеточные роботы могут превосходить гибкость обычных роботов, Мурата и Курокава, опубликовано в журнале IEEE Robotics & Automation Magazine в марте 2007 г. [6] ^{[ постоянная нерабочая ссылка ]}
• Метод выбора центральной конфигурации для реконфигурируемого модульного робота. Авторы: Лю Дж. Г., Ван Й. Ч. и др., опубликовано в журнале Science in China, серия F: Information Sciences, 2007.[7]
• Основы самореконфигурируемой модульной робототехники, научно-популярное введение в основы SRCMR и некоторые из глубоких последствий, которые это будет иметь. Пер Сьёборг 2009.[8]

Внешние ссылки

• «Freeform Robotics». Исследовательская группа Freeform Robotics.
• «Распределенная лаборатория робототехники». Распределенная лаборатория робототехники в Массачусетском технологическом институте .
• "Modular Robots at PARC". Modular Reconfigurable Robots . Архивировано из оригинала 20 февраля 2007 г. Получено 3 февраля 2007 г.
• «ModLab в Пенсильванском университете». Исследования по модульной реконфигурируемой робототехнике .
• «Проект Claytronics в Университете Карнеги-Меллона». Совместные исследования в области программируемой материи .
• "Группа модульной робототехники Южного университета Дании". Исследования модульной и самореконфигурируемой робототехники . Архивировано из оригинала 7 июля 2009 г. Получено 17 июня 2009 г.
• «Лаборатория Фукуда». Исследования модульной и самореконфигурируемой робототехники и микро-наносистем .
• «Лаборатория биоробототехники». Исследования в области модульной и самореконфигурируемой робототехники, биоинспирированной робототехники, динамических систем (например, CPG), реабилитационной робототехники .