Модульный робот с автоматической реконфигурацией

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Модульный робот с самопереконфигурированием»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( февраль 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Модульные самореконфигурируемые роботизированные системы или самореконфигурируемые модульные роботы представляют собой автономные кинематические машины с изменяемой морфологией . Помимо обычного срабатывания, восприятия и контроля, которые обычно встречаются в роботах с фиксированной морфологией , саморефигурируемые роботы также могут намеренно изменять свою форму, изменяя взаимосвязь своих частей, чтобы адаптироваться к новым обстоятельствам, выполнять новые задачи или восстанавливать от повреждений.

Например, робот, сделанный из таких компонентов, может принять форму червя, чтобы двигаться по узкой трубе, собрать что-то с паучьими ногами для пересечения неровностей местности, а затем сформировать третий произвольный объект (например, шар или колесо, которое может вращаться) для быстрого перемещения по довольно ровной местности; его также можно использовать для создания «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 электронику , датчики , компьютерные процессоры , память и блоки питания ; они также могут содержать исполнительные механизмы , которые используются для управления их местоположением в окружающей среде и по отношению друг к другу. В некоторых случаях обнаруживается особенность, заключающаяся в способности 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 способны использовать свою собственную систему управления, например, с исполнительными механизмами или стохастическими средствами для изменения своей общей структурной формы. «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 самовоспроизведения , которая 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 отливают компоненты, которые затем собираются в модуль и добавляются к существующей матрице, чтобы дополнить ее, чтобы увеличить количество или заменить изношенные из модулей.

Матрица, состоящая из многих модулей, может разделяться для формирования нескольких 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.

Есть два основных способа сегмента артикуляции , что само-реконфигурируемая механизмы могут использовать , чтобы изменить свою структуру: цепь реконфигурации и решетка реконфигурации .

Структура и контроль [ править ]

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 первичного структурного элемента, приводимого в действие, и потенциально дополнительных специализированных блоков, таких как захваты, опоры, колеса, камеры, полезная нагрузка и накопление и генерация энергии.

Таксономия архитектур [ править ]

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]

• В решетчатой ​​архитектуре есть свои блоки, соединяющие стыковочные интерфейсы в точках в виртуальные ячейки некоторой регулярной сетки. Эту сеть точек стыковки можно сравнить с атомами в кристалле, а сетку - с решеткой этого кристалла. Следовательно, кинематические особенности решетчатых роботов могут быть охарактеризованы соответствующими им кристаллографическими группами смещения (киральными пространственными группами ). ^[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 использует 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 основана на перемещении юнитов или манипулировании ими в целевом местоположении 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 основана на перемещении единиц с использованием статистических процессов (таких как броуновское движение). 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.

• Однородные модульные роботизированные 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.
• Гетерогенные модульные роботизированные 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, самосборные 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 может быть определено 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.

• Внутриконфигурируемость для роботов называется системой, 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 сочетаются с другими однородными или гетерогенными модулями роботов (взаимная реконфигурируемость).

Мотивация и вдохновение [ править ]

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

• Функциональное преимущество : роботизированные системы с автоматическим изменением конфигурации потенциально более надежны и более адаптивны, 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 от робота на ногах 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 самостоятельному ремонту.

• Экономическое преимущество . Самостоятельная реконфигурация робототехнических систем может потенциально снизить общую стоимость роботов за счет создания ряда сложных машин из одного (или относительно небольшого) 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 набора 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 [ править ]

Учитывая эти преимущества, где можно было бы использовать модульную самоконфигурируемую систему? Несмотря на то, что система обещает быть способной к широкому спектру вещей, найти « приложение-убийцу » было несколько труднодостижимым. Вот несколько примеров:

Исследование космоса [ править ]

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 [ править ]

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 клэйтроникс ^[5] илиПрограммируемая материя (следует отметить, что программируемая материя - это гораздо более общий термин, охватывающий также функциональные программируемые материалы).

Ведро с вещами [ править ]

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 [ править ]

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 автоматически заменяться 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 начали тенденцию 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 Ход Липсон и Эрик Клавинс предприняли новые попытки стохастической самосборки . Большая работа в Университете Карнеги-Меллона, возглавляемая Сетом Голдштейном и Тоддом Моури, позволила решить проблемы при разработке 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.

Некоторые текущие системы [ править ]

PolyBot G3 (2002 г.)

Цепная система самопереконфигурации. 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]

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-ТРАНА. 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. Дж. 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. Будучи гипер-избыточной, модульной и реконфигурируемой, AMOEBA-I имеет множество возможных приложений, таких как городской поиск и спасение (USAR) и исследование космоса. Ссылка_1: см. [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 (2005)

Эта гибридная самоконфигурируемая система была построена лабораторией вычислительного синтеза Корнелла 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. Дополнительную информацию можно найти на веб -странице CCSL Self-Replication .

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, а когда и следует отделиться. Можно разработать и оптимизировать правила локального взаимодействия, чтобы заставить роботов создавать любую желаемую глобальную форму. Дополнительную информацию можно найти на веб-странице программируемых частей .

Супербот (2006)

Модули SuperBot относятся к гибридной архитектуре. Каждый модуль имеет по три степени свободы. Дизайн основан на двух предыдущих системах: Conro (от той же исследовательской группы) и MTRAN (от Мураты 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 разных 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 конструкцию, отпускаются и падают под действием внешней силы, в данном случае силы тяжести. Подробности на сайте Miche (Rus et al.).

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 в DFA. ^[13]

Roombots (2009)

Румботы ^[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. У каждого модуля есть десять доступных разъемов для подключения, в настоящее время два из них оснащены механизмом активного подключения на основе механических защелок. Румботы 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 Sambot ^[16] состоит в разработке робототехники роя и проведении исследований интеллекта роя., 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 некоторая самосборка, самоорганизация,Саморегулирующиеся и самовосстанавливающиеся функции и исследования доступны в режиме проектирования и приложения. Внутри модульного робота размером 80 (Ш) X80 (Д) X102 (В) мм встроены MCU (ARM и AVR), связь (Zigbee), датчики, питание, IMU, модули позиционирования. Более подробную информацию можно найти в разделе «Самостоятельная сборка модульных роботов Swarm».^[17]

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. на единицу. ^[18]

Симбрион (2013)

Symbrion ( Symbiotic Evolutionary Robot Organisms) - это проект, финансируемый Европейской комиссией в период с 2008 по 2013 год, для разработки структуры, в которой однородный рой миниатюрных взаимозависимых роботов может совместно собираться 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 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)

Space Engine - это автономная кинематическая платформа с переменной морфологией, способная создавать или манипулировать 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 [ править ]

• У робота с наибольшим количеством активных модулей 56 единиц <polybot centipede, PARC>
• Наименьший активный модульный блок 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. <PolyBot g1v5, PARC>
• Самый быстрый модульный робот может двигаться со скоростью 23 единицы в секунду. <CKbot, dynamic Rolling, ISER'06>
• Самая большая смоделированная система содержала многие сотни тысяч единиц. ^{[21] [22]}

Проблемы, решения и возможности [ править ]

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 их обещание адаптируемости, надежности и низкой стоимости . 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 [ править ]

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 программного обеспечения. Системы с самопереконфигурированием имеют более тесную связь между аппаратным и программным обеспечением, чем любая другая существующая система.

Проблемы планирования и контроля [ править ]

Хотя алгоритмы были разработаны для обработки тысяч единиц в идеальных условиях, проблемы масштабируемости остаются как на низкоуровневом управлении, так и на высокоуровневом планировании, чтобы преодолеть реалистичные ограничения:

• 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 беспорядочно.
• Алгоритмы, определяющие оптимальную конфигурацию для данной задачи
• Алгоритмы оптимального (по времени, энергии) плана реконфигурации
• Эффективная и масштабируемая (асинхронная) связь между несколькими устройствами

Проблемы с приложением [ править ]

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:

• Приложения для исследования космоса и колонизации космоса , например, колонизация Луны
• Строительство больших архитектурных систем
• Глубоководные исследования / добыча
• Поиск и спасание в неструктурированной среде
• Быстрое изготовление произвольных инструментов в условиях ограниченного пространства / веса
• Приюты для помощи при стихийных бедствиях для перемещенных лиц
• Укрытия для бедных районов, для сборки которых требуется небольшой опыт на местах

Великие испытания [ править ]

Некоторые области робототехники определили грандиозные задачи, которые служат катализатором развития и служат краткосрочной целью при отсутствии приложений-убийц . 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 экологии, изолированная в течение длительного периода времени (1 год) , что потребности для поддержания работы и выполнить непредвиденные задачи без любого человеческого присутствия.
• Самовоспроизведение Система с множеством модулей, способных к самовоспроизведению путем сбора разрозненных строительных блоков, потребует решения многих аппаратных и алгоритмических задач.
• Ultimate Construction Система, способная создавать объекты из компонентов, скажем, стены.
• Аналогия с биофильтром. Если систему когда-либо сделают 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 гематоэнцефалического барьера . 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 [ править ]

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

Группы Google [ править ]

Self-Reconfiguring and Modular Technology - это группа для обсуждения восприятия и понимания развивающейся области робототехники.

Modular Robotics Google Group - это открытый общественный форум, посвященный объявлениям о событиях 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.

Веб-сайты, специально посвященные изучению этой технологии [ править ]

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

См. Также [ править ]

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

Дальнейшее чтение [ править ]

• "Самореконфигурируемые роботы: введение" . Отличное введение в то, где находится SRCMR сегодня, как он туда попал и куда нужно двигаться в будущем . Архивировано из оригинального 5 -го августа 2011 года . Проверено 13 июля 2011 года .
• Мурата, Сатоши; Курокава, Харухиса (2012). Самоорганизующиеся роботы . От биологии, через роботов, к молекулам . Springer Tracts в продвинутой робототехнике. 77 . DOI : 10.1007 / 978-4-431-54055-7 . ISBN 978-4-431-54054-0.

Ссылки [ править ]

• Модульные самореконфигурируемые роботизированные системы: вызовы и возможности будущего, Йим, Шен, Салеми, Рус, Молл, Липсон, Клавинс и Чирикджян, опубликовано в журнале IEEE Robotics & Automation Magazine в марте 2007 г. [5]
• Самореконфигурируемый робот: меняющие форму сотовые роботы могут превзойти гибкость обычных роботов, Мурата и Курокава, опубликовано в журнале IEEE Robotics & Automation Magazine в марте 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 [ править ]

В Викиучебнике есть книга на тему: Робототехника: экзотические роботы: модульные и фрактальные роботы.

• «Лаборатория распределенной робототехники» . Лаборатория распределенной робототехники Массачусетского технологического института .
• «Модульные роботы в PARC» . Модульные реконфигурируемые роботы . Архивировано из оригинального 20 февраля 2007 года . Проверено 3 февраля 2007 года .
• «ModLab в 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 оригинала 7 июля 2009 года . Проверено 17 июня 2009 года .
• «Лаборатория Фукуда» . Исследования в области модульной и самореконфигурируемой робототехники и микронано-систем .
• «Лаборатория биоробототехники» . Исследования в области модульной и самоконфигурируемой робототехники, био-робототехники, динамических систем (например, CPG), реабилитационной робототехники .