Robot modular auto reconfigurable

Ver también: Diseño modular

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Los sistemas robóticos modulares auto reconfigurables o los robots modulares auto reconfigurables son máquinas cinemáticas autónomas con morfología variable. Más allá de la actuación convencional, la detección y el control que se encuentran típicamente en los robots de morfología fija, los robots autoconfigurables también pueden cambiar deliberadamente su propia forma reorganizando la conectividad de sus partes, para adaptarse a nuevas circunstancias, realizar nuevas tareas o recuperarse. de los daños.

Por ejemplo, un robot hecho de tales componentes podría asumir una forma de gusano para moverse a través de una tubería estrecha, volver a ensamblarse en algo con patas en forma de araña para cruzar un terreno irregular y luego formar un tercer objeto arbitrario (como una bola o rueda que puede girarse) para moverse rápidamente sobre un terreno bastante plano; también se puede utilizar para fabricar objetos "fijos", como paredes, refugios o edificios.

En algunos casos, esto implica que cada módulo tenga 2 o más conectores para conectar varios juntos. Pueden contener componentes electrónicos , sensores , procesadores de computadora , memoria y fuentes de alimentación ; también pueden contener actuadores que se utilizan para manipular su ubicación en el entorno y en relación entre sí. Una característica que se encuentra en algunos casos es la capacidad de los módulos para conectarse y desconectarse automáticamente entre sí, y formarse en muchos objetos o realizar muchas tareas moviendo o manipulando el entorno.

Al decir "auto reconfigurable" o "auto reconfigurable" significa que el mecanismo o dispositivo es capaz de utilizar su propio sistema de control, como con actuadores o medios estocásticos para cambiar su forma estructural general. Tener la cualidad de ser "modular" en "robótica modular autoconfigurable" es decir que el mismo módulo o conjunto de módulos se puede agregar o quitar del sistema, en lugar de ser genéricamente "modularizado" en el sentido más amplio. La intención subyacente es tener un número indefinido de módulos idénticos, o un conjunto finito y relativamente pequeño de módulos idénticos, en una estructura de malla o matriz de módulos auto reconfigurables.

La autoconfiguración es diferente del concepto de autorreplicación , que no es una cualidad que deba poseer un módulo o una colección de módulos autoconfigurables. Una matriz de módulos no necesita poder aumentar la cantidad de módulos en su matriz para ser considerada autoconfigurable. Es suficiente que los módulos autoconfigurables se produzcan en una fábrica convencional, donde máquinas dedicadas estampan o moldean componentes que luego se ensamblan en un módulo y se agregan a una matriz existente para complementarla para aumentar la cantidad o reemplazar los desgastados. fuera de los módulos.

Una matriz compuesta por muchos módulos puede separarse para formar múltiples matrices con menos módulos, o pueden combinarse o recombinarse para formar una matriz más grande. Algunas de las ventajas de separarse en múltiples matrices incluyen la capacidad de abordar tareas múltiples y más simples en ubicaciones que están alejadas entre sí simultáneamente, transfiriendo barreras con aberturas que son demasiado pequeñas para que entre una única matriz más grande, pero no demasiado pequeñas para una matriz más pequeña. fragmentos o módulos individuales, y con fines de ahorro de energía utilizando solo los módulos suficientes para realizar una tarea determinada. Algunas de las ventajas de combinar múltiples matrices en una sola matriz es la capacidad de formar estructuras más grandes, como un puente alargado, estructuras más complejas, como un robot con muchos brazos o un brazo con más grados de libertad, y una mayor fuerza.El aumento de la fuerza, en este sentido, puede tomar la forma de aumentar la rigidez de una estructura fija o estática, aumentar la cantidad de fuerza neta o colectiva para levantar, bajar, empujar o tirar de otro objeto u otra parte de la matriz, o cualquier combinación de estas características.

Hay dos métodos básicos de articulación de segmentos que los mecanismos auto reconfigurables pueden utilizar para remodelar sus estructuras: reconfiguración de cadena y reconfiguración de celosía.

Estructura y control

Los robots modulares generalmente se componen de múltiples bloques de construcción de un repertorio relativamente pequeño, con interfaces de acoplamiento uniformes que permiten la transferencia de fuerzas y momentos mecánicos, energía eléctrica y comunicación en todo el robot.

Los bloques de construcción modulares generalmente consisten en alguna unidad accionada estructural primaria y unidades especializadas potencialmente adicionales como pinzas, pies, ruedas, cámaras, carga útil y almacenamiento y generación de energía.

Una taxonomía de arquitecturas

Los sistemas robóticos modulares autoconfigurables se pueden clasificar generalmente en varios grupos arquitectónicos por la disposición geométrica de su unidad (celosía frente a cadena). Varios sistemas exhiben propiedades híbridas y los robots modulares también se han clasificado en las dos categorías de Cambio de configuración móvil (MCC) y Locomoción de cuerpo entero (WBL). ^[1]

Arquitectura de celosía: 12 módulos del sistema de celosía homogéneo Micro Unit ensamblados juntos se muestra con la red de puntos de acoplamiento y rejilla correspondiente

• La arquitectura de celosía tiene sus unidades conectando sus interfaces de acoplamiento en puntos en celdas virtuales de alguna cuadrícula regular. Esta red de puntos de acoplamiento se puede comparar con los átomos de un cristal y la rejilla con la red de ese cristal. Por lo tanto, las características cinemáticas de los robots de celosía se pueden caracterizar por sus correspondientes grupos de desplazamiento cristalográficos ( grupos espaciales quirales ). ^[2] Por lo general, pocas unidades son suficientes para realizar un paso de reconfiguración. Las arquitecturas de celosía permiten un diseño mecánico más simple y una representación computacional y una planificación de reconfiguración más simples que se pueden escalar más fácilmente a sistemas complejos.
• La arquitectura de cadena no utiliza una red virtual de puntos de acoplamiento para sus unidades. Las unidades pueden llegar a cualquier punto del espacio y, por lo tanto, son más versátiles, pero puede ser necesaria una cadena de muchas unidades para llegar a un punto, lo que suele dificultar la realización de un paso de reconfiguración. Estos sistemas también son más difíciles de representar y analizar computacionalmente.
• La arquitectura híbrida aprovecha las ventajas de ambas arquitecturas anteriores. El control y el mecanismo están diseñados para la reconfiguración de celosías pero también permiten llegar a cualquier punto del espacio.

Los sistemas robóticos modulares también se pueden clasificar de acuerdo con la forma en que las unidades se reconfiguran (mueven) en su lugar.

• La reconfiguración determinista se basa en que las unidades se muevan o se manipulen directamente en su ubicación objetivo durante la reconfiguración. La ubicación exacta de cada unidad se conoce en todo momento. Se pueden garantizar los tiempos de reconfiguración, pero es necesario un control de retroalimentación sofisticado para asegurar una manipulación precisa. Los sistemas de macroescala suelen ser deterministas.
• La reconfiguración estocástica se basa en unidades que se mueven utilizando procesos estadísticos (como el movimiento browniano). La ubicación exacta de cada unidad solo se conoce cuando está conectada a la estructura principal, pero puede tomar caminos desconocidos para moverse entre ubicaciones. Los tiempos de reconfiguración solo se pueden garantizar estadísticamente. Las arquitecturas estocásticas son más favorables a microescala.

Los sistemas robóticos modulares también se clasifican generalmente según el diseño de los módulos.

• Los sistemas de robots modulares homogéneos tienen muchos módulos del mismo diseño que forman una estructura adecuada para realizar la tarea requerida. Una ventaja sobre otros sistemas es que son fáciles de escalar en tamaño (y posiblemente en función), agregando más unidades. Una desventaja comúnmente descrita son los límites a la funcionalidad: estos sistemas a menudo requieren más módulos para lograr una función determinada que los sistemas heterogéneos.
• Los sistemas de robots modulares heterogéneos tienen diferentes módulos, cada uno de los cuales realiza funciones especializadas, formando una estructura adecuada para realizar una tarea. Una ventaja es la compacidad y la versatilidad para diseñar y agregar unidades para realizar cualquier tarea. Una desventaja comúnmente descrita es un aumento en la complejidad de los métodos de diseño, fabricación y simulación.
  Representación conceptual para la reconfiguración intra, inter y anidada bajo taxonomía de robots reconfigurables.

Existen otros sistemas robóticos modulares que no son auto reconfigurables y, por lo tanto, no pertenecen formalmente a esta familia de robots, aunque pueden tener una apariencia similar. Por ejemplo, los sistemas de autoensamblaje pueden estar compuestos por múltiples módulos pero no pueden controlar dinámicamente su forma objetivo. De manera similar, la robótica de tensegridad puede estar compuesta por múltiples módulos intercambiables pero no puede autoconfigurarse. Los sistemas robóticos auto reconfigurables se caracterizan por ser reconfigurables en comparación con sus contrapartes de morfología fija y se puede definir como el grado / grado en que un robot o sistemas robóticos auto reconfigurables pueden transformarse y evolucionar a otra configuración significativa con un cierto grado de autonomía o humanos. intervención. ^[3] El sistema reconfigurable también se puede clasificar según la reconfigurabilidad del mecanismo.

• La intra-reconfigurabilidad para robots se conoce como un sistema que es una entidad única mientras tiene la capacidad de cambiar la morfología sin el montaje / desmontaje.
• La interconfigurabilidad se define como hasta qué punto un sistema robótico puede cambiar su morfología mediante el montaje o desmontaje de sus componentes o módulos.
• La reconfigurabilidad anidada para sistemas robóticos es un conjunto de robots modulares con características de reconfiguración individuales (intra-reconfigurabilidad) que se combinan con otros módulos de robot homogéneos o heterogéneos (inter-reconfigurabilidad).

Motivación e inspiración

Hay dos motivaciones clave para diseñar sistemas robóticos modulares de reconfiguración automática.

• Ventaja funcional : los sistemas robóticos de reconfiguración automática son potencialmente más robustos y más adaptables que los sistemas convencionales. La capacidad de reconfiguración permite que un robot o un grupo de robots desmonten y vuelvan a montar máquinas para formar nuevas morfologías que sean más adecuadas para nuevas tareas, como cambiar de un robot con patas a un robot serpiente ( snakebot ) y luego a un robot rodante. Dado que las piezas del robot son intercambiables (dentro de un robot y entre diferentes robots), las máquinas también pueden reemplazar las piezas defectuosas de forma autónoma, lo que lleva a la autorreparación.

Robótica modular autónoma en el espacio

• Ventaja económica : los sistemas robóticos de auto reconfiguración pueden reducir potencialmente el costo total del robot al hacer una gama de máquinas complejas a partir de un solo (o relativamente pocos) tipos de módulos producidos en masa.

Ambas ventajas aún no se han realizado por completo. Es probable que un robot modular tenga un rendimiento inferior a cualquier robot personalizado individual diseñado para una tarea específica. Sin embargo, la ventaja de la robótica modular solo es aparente cuando se consideran múltiples tareas que normalmente requerirían un conjunto de robots diferentes.

Los grados de libertad añadidos hacen que los robots modulares sean más versátiles en sus capacidades potenciales, pero también incurren en un compromiso de rendimiento y mayores complejidades mecánicas y computacionales.

La búsqueda de estructuras robóticas autoconfiguradas se inspira en cierta medida en aplicaciones previstas, como las misiones espaciales a largo plazo, que requieren una ecología robótica autosostenible a largo plazo que pueda manejar situaciones imprevistas y que puedan requerir una auto reparación. Una segunda fuente de inspiración son los sistemas biológicos que se autoconstruyen a partir de un repertorio relativamente pequeño de componentes básicos de nivel inferior (células o aminoácidos, según la escala de interés). Esta arquitectura es la base de la capacidad de los sistemas biológicos para adaptarse físicamente, crecer, curarse e incluso autorreplicarse, capacidades que serían deseables en muchos sistemas diseñados.

Áreas de aplicación

Dadas estas ventajas, ¿dónde se utilizaría un sistema modular auto reconfigurable? Si bien el sistema tiene la promesa de ser capaz de hacer una amplia variedad de cosas, encontrar la " aplicación asesina " ha sido algo difícil de alcanzar. A continuación se muestran varios ejemplos:

Exploración espacial

Una aplicación que destaca las ventajas de los sistemas auto reconfigurables son las misiones espaciales a largo plazo. ^[4] Éstos requieren una ecología robótica autosuficiente a largo plazo que pueda manejar situaciones imprevistas y puede requerir reparación propia. Los sistemas auto reconfigurables tienen la capacidad de manejar tareas que no se conocen a priori, especialmente en comparación con los sistemas de configuración fija. Además, las misiones espaciales tienen una gran limitación de volumen y masa. Enviar un sistema de robot que se pueda reconfigurar para lograr muchas tareas puede ser más efectivo que enviar muchos robots para que cada uno pueda realizar una tarea.

Telepario

Otro ejemplo de una aplicación ha sido acuñado "telepario" por los profesores de CMU Todd Mowry y Seth Goldstein. Lo que los investigadores proponen hacer son réplicas tridimensionales, físicas y en movimiento de personas u objetos, tan realistas que los sentidos humanos las aceptarían como reales. Esto eliminaría la necesidad de equipos de realidad virtual engorrosos y superaría las limitaciones del ángulo de visión de los enfoques 3D modernos. Las réplicas imitarían la forma y la apariencia de una persona u objeto que se está fotografiando en tiempo real y, a medida que se muevan los originales, también lo harán sus réplicas. Un aspecto de esta aplicación es que el impulso principal del desarrollo es la representación geométrica en lugar de aplicar fuerzas al entorno como en una tarea típica de manipulación robótica. Este proyecto es ampliamente conocido como Claytronics ^[5] oMateria programable (teniendo en cuenta que materia programable es un término mucho más general, que también abarca materiales programables funcionales).

Cubo de cosas

Una tercera visión a largo plazo de estos sistemas se ha denominado "cubo de cosas". En esta visión, los consumidores del futuro tienen un contenedor de módulos auto reconfigurables, digamos, en su garaje, sótano o ático. Cuando surge la necesidad, el consumidor llama a los robots para realizar una tarea como "limpiar las canaletas" o "cambiar el aceite del coche" y el robot asume la forma necesaria y realiza la tarea.

Historia y estado del arte

Las raíces del concepto de robots modulares auto reconfigurables se remontan al efector final de "cambio rápido" y los cambiadores de herramientas automáticos en los centros de mecanizado controlados numéricamente por computadora en la década de 1970. Aquí, los módulos especiales, cada uno con un mecanismo de conexión común, podrían intercambiarse automáticamente en el extremo de un brazo robótico. Sin embargo, Toshio Fukuda introdujo el concepto básico del mecanismo de conexión común y lo aplicó a todo el robot con el CEBOT (abreviatura de robot celular) a fines de la década de 1980.

La década de 1990 vio un mayor desarrollo de Greg Chirikjian, Mark Yim, Joseph Michael y Satoshi Murata. Chirikjian, Michael y Murata desarrollaron sistemas de reconfiguración de celosía y Yim desarrolló un sistema basado en cadenas. Si bien estos investigadores comenzaron con un énfasis en ingeniería mecánica, diseñando y construyendo módulos y luego desarrollando código para programarlos, el trabajo de Daniela Rus y Wei-min Shen desarrolló hardware pero tuvo un mayor impacto en los aspectos de programación. Comenzaron una tendencia hacia algoritmos distribuidos demostrables o verificables para el control de un gran número de módulos.

Una de las plataformas de hardware más interesantes recientemente han sido los sistemas MTRAN II y III desarrollados por Satoshi Murata et al. Este sistema es un sistema híbrido de cadena y celosía. Tiene la ventaja de poder realizar tareas más fácilmente, como los sistemas de cadena, pero reconfigurarse como un sistema de celosía.

Más recientemente, Hod Lipson y Eric Klavins han realizado nuevos esfuerzos en el autoensamblaje estocástico . Un gran esfuerzo en la Universidad Carnegie Mellon dirigido por Seth Goldstein y Todd Mowry ha comenzado a buscar problemas en el desarrollo de millones de módulos.

Se ha demostrado que se pueden realizar muchas tareas, especialmente con los módulos de reconfiguración en cadena. Esto demuestra la versatilidad de estos sistemas, sin embargo, no se han demostrado las otras dos ventajas, robustez y bajo costo. En general, los sistemas prototipo desarrollados en los laboratorios han sido frágiles y costosos, como cabría esperar durante cualquier desarrollo inicial.

Existe un número creciente de grupos de investigación que participan activamente en la investigación de robótica modular. Hasta la fecha, se han diseñado y construido alrededor de 30 sistemas, algunos de los cuales se muestran a continuación.

Sistemas físicos creados

Sistema	Clase, DOF	Autor	Año
CEBOT	Móvil	Fukuda y col. (Tsukuba)	1988
Polipod	cadena, 2, 3D	Yim (Stanford)	1993
Metamórfico	celosía, 6, 2D	Chirikjian (Caltech)	1993
Fracta	celosía, 3 2D	Murata (MEL)	1994
Robots fractales	celosía, 3D	Michael (Reino Unido)	1995
Tetrobot	cadena, 1 3D	Hamline y col. (RPI)	1996
Fracta 3D	celosía, 6 3D	Murata y col. (MEL)	1998
Molécula	celosía, 4 3D	Kotay y Rus (Dartmouth)	1998
CONRO	cadena, 2 3D	Will y Shen (USC / ISI)	1998
PolyBot	cadena, 1 3D	Yim y col. (PARC)	1998
TeleCube	celosía, 6 3D	Suh y col., (PARC)	1998
Vertical	celosía, 2D	Hosakawa y col., (Riken)	1998
Cristalino	celosía, 4 2D	Vona y Rus, (Dartmouth)	1999
I-Cube	celosía, 3D	Unsal, (CMU)	1999
Micro Unidad	celosía, 2 2D	Murata y col. (AIST)	1999
M-TRAN I	híbrido, 2 3D	Murata y col. (AIST)	1999
Neumático	celosía, 2D	Inou y col., (TiTech)	2002
Uni Rover	móvil, 2 2D	Hirose y col., (TiTech)	2002
M-TRAN II	híbrido, 2 3D	Murata y col., (AIST)	2002
Atron	celosía, 1 3D	Stoy et al., (Estados Unidos, Dinamarca)	2003
S-bot	móvil, 3 2D	Mondada y col., (EPFL)	2003
Estocástico	celosía, 0 3D	Blanco, Kopanski, Lipson (Cornell)	2004
Superbot	híbrido, 3 3D	Shen y col., (USC / ISI)	2004
Módulos Y1	cadena, 1 3D	González-Gomez et al., (UAM)	2004
M-TRAN III	híbrido, 2 3D	Kurokawa y col., (AIST)	2005
AMOEBA-I	Móvil, 7 3D	Liu JG y col., (SIA)	2005
Catom	celosía, 0 2D	Goldstein y col., (CMU)	2005
Estocástico-3D	celosía, 0 3D	Blanco, Zykov, Lipson (Cornell)	2005
Molecubes	híbrido, 1 3D	Zykov, Mytilinaios, Lipson (Cornell)	2005
Prog. partes	celosía, 0 2D	Klavins, (U. Washington)	2005
Microtub [6]	cadena, 2 2D	Brunete, Hernando, Gambao (UPM)	2005
Miche	celosía, 0 3D	Rus y col., (MIT)	2006
Módulos GZ-I	cadena, 1 3D	Zhang & Gonzalez-Gomez (U. Hamburg, UAM)	2006
La matriz de vuelo distribuida	celosía, 6 3D	Oung & D'Andrea (ETH Zúrich)	2008
Evolucionar	cadena, 2 3D	Chang Fanxi, Francis (NUS)	2008
EM-Cube	Celosía, 2 2D	An, (Laboratorio de informática de Dran)	2008
Roombots	Híbrido, 3 3D	Sproewitz, Moeckel, Ijspeert, Laboratorio de biorrobótica, (EPFL)	2009
Materia programable por plegado	Hoja, 3D	Wood, Rus, Demaine et al., (Harvard y MIT)	2010
Sambot	Híbrido, 3D	HaiYuan Li, HongXing Wei, TianMiao Wang et al., (Universidad de Beihang)	2010
Moteínas	Híbrido, 1 3D	Centro de bits y átomos, (MIT)	2011
ModRED	Cadena, 4 3D	Laboratorio C-MANTIC, (UNO / UNL)	2011
Hoja inteligente programable	Hoja, 3D	An & Rus, (MIT)	2011
SMORES	Híbrido, 4, 3D	Davey, Kwok, Yim (UNSW, UPenn)	2012
Symbrion	Híbrido, 3D	Proyectos de la UE Symbrion y Replicator [7]	2013
ReBiS - Serpiente bípeda reconfigurable [8]	Cadena, 1, 3D	Rohan, Ajinkya, Sachin, S. Chiddarwar, K. Bhurchandi (VNIT, Nagpur)	2014
Soft Mod. Robar. Cubitos	Celosía, 3D	Vergara, Sheng, Mendoza-García, Zagal (UChile)	2017
Motor espacial	Híbrido, 3D	Ruke Keragala (3rdVector, Nueva York)	2018
Tienda Omni-Pi	Híbrido, 3D	Peck, Timmis, Tyrrell (Universidad de York)	2019
Panthera [9]	Móvil, 1D	Elara, Prathap, Hayat, Parween (SUTD, Singapur)	2019

Algunos sistemas actuales

Robot auto reconfigurable modular Polybot G3

PolyBot G3 (2002)

Un sistema de autoconfiguración en cadena. Cada módulo mide aproximadamente 50 mm de lado y tiene 1 DOF giratorio. Es parte de la familia de robots modulares PolyBot que ha demostrado muchos modos de locomoción, incluido el caminar: bípedo, de 14 patas, parecido a un deslizamiento, parecido a una serpiente: acordeón en un agujero de ardilla, marcha de gusano de pulgada, ondulación rectilínea y marcha lateral, rodando como un andar a una velocidad de hasta 1,4 m / s, montar en triciclo, subir escaleras, postes, rampas, etc. Se puede encontrar más información en la página web de polybot en PARC. ^[10]

Metamorfosis por un robot auto reconfigurable, M-TRAN III

M-TRAN III (2005)

Un sistema auto reconfigurable de tipo híbrido. Cada módulo tiene un tamaño de dos cubos (65 mm de lado) y tiene 2 DOF rotacionales y 6 superficies planas para la conexión. Es el tercer prototipo de M-TRAN. En comparación con el primero (M-TRAN II), la velocidad y la confiabilidad de la conexión se mejoran en gran medida. Como sistema de tipo cadena, M-TRAN II ha demostrado la locomoción mediante el controlador CPG (Central Pattern Generator) en varias formas. Como sistema de tipo celosía, puede cambiar su configuración, por ejemplo, entre un andador de 4 patas y un robot similar a una oruga. Consulte la página web de M-TRAN en AIST. ^[11]

AMOEBA-I (2005)

AMOEBA-I, un robot móvil reconfigurable de tres módulos fue desarrollado en el Instituto de Automatización de Shenyang (SIA), Academia de Ciencias de China (CAS) por Liu JG et al. [1] [2] .AMOEBA-I tiene nueve tipos de configuraciones no isomórficas y alta movilidad en entornos no estructurados. Se han desarrollado cuatro generaciones de su plataforma y se han llevado a cabo una serie de investigaciones sobre su mecanismo de reconfiguración, configuraciones no isomorfas, estabilidad de vuelco y planificación de reconfiguración. Los experimentos han demostrado que este tipo de estructura permite una buena movilidad y una gran flexibilidad en terrenos irregulares. Al ser hiper-redundante, modular y reconfigurable, AMOEBA-I tiene muchas aplicaciones posibles, como búsqueda y rescate urbano (USAR) y exploración espacial. Ref_1: ver [3]; Ref_2: ver [4]

Estocástico-3D (2005)

Se puede lograr una alta resolución espacial para la formación de formas tridimensionales arbitrarias con robots modulares utilizando un sistema de celosía con grandes cantidades de módulos muy pequeños, prospectivamente microscópicos. A escalas pequeñas y con grandes cantidades de módulos, el control determinista sobre la reconfiguración de módulos individuales se volverá inviable, mientras que los mecanismos estocásticos prevalecerán naturalmente. El tamaño microscópico de los módulos hará que el uso de activación e interconexión electromagnética sea prohibitivo, así como el uso de almacenamiento de energía a bordo.

Se construyeron tres prototipos a gran escala en un intento de demostrar una reconfiguración estocástica tridimensional dinámicamente programable en un entorno de flotabilidad neutra. El primer prototipo utilizó electroimanes para la reconfiguración e interconexión de módulos. Los módulos eran cubos de 100 mm y pesaban 0,81 kg. El segundo prototipo utilizó un mecanismo de interconexión y reconfiguración fluídica estocástica. Sus módulos cúbicos de 130 mm pesaban 1,78 kg cada uno y hacían que los experimentos de reconfiguración fueran excesivamente lentos. La tercera implementación actual hereda el principio de reconfiguración fluídica. El tamaño de la cuadrícula de celosía es de 80 mm y se están realizando los experimentos de reconfiguración. ^[12]

Molecubes en movimiento

Molecubes (2005)

Este sistema híbrido de auto-reconfiguración fue construido por el Laboratorio de Síntesis Computacional de Cornell para demostrar físicamente la autorreproducción cinemática artificial. Cada módulo es un cubo de 0,65 kg con bordes de 100 mm de largo y un grado de libertad de rotación. El eje de rotación está alineado con la diagonal más larga del cubo. Se demostró la autorreproducción física de un robot de tres y cuatro módulos. También se demostró que, sin tener en cuenta las limitaciones de la gravedad, se pueden construir un número infinito de metaestructuras de cadena que se reproducen a sí mismas a partir de Molecubes. Puede encontrar más información en la página web CCSL Self-Replication .

Las partes programables (2005)

Las partes programables se agitan aleatoriamente en una mesa de hockey de aire mediante chorros de aire accionados aleatoriamente. Cuando chocan y se pegan, pueden comunicarse y decidir si quedarse atascados o si se separan y cuándo. Se pueden diseñar y optimizar reglas de interacción local para guiar a los robots a crear cualquier forma global deseada. Puede encontrar más información en la página web de piezas programables .

Superbot (2006)

Los módulos SuperBot pertenecen a la arquitectura híbrida. Los módulos tienen tres grados de libertad cada uno. El diseño se basa en dos sistemas anteriores: Conro (del mismo grupo de investigación) y MTRAN (de Murata et al.). Cada módulo se puede conectar a otro módulo a través de uno de sus seis conectores de base. Pueden comunicarse y compartir energía a través de sus conectores de base. Se han desarrollado varios pasos de locomoción para diferentes disposiciones de módulos. Para la comunicación de alto nivel, los módulos utilizan control basado en hormonas, un protocolo escalable distribuido que no requiere que los módulos tengan ID únicos.

Miche (2006)

El sistema Miche es un sistema de celosía modular capaz de formar formas arbitrarias. Cada módulo es un módulo de robot autónomo capaz de conectarse y comunicarse con sus vecinos inmediatos. Cuando se ensamblan en una estructura, los módulos forman un sistema que se puede esculpir virtualmente usando una interfaz de computadora y un proceso distribuido. El grupo de módulos decide colectivamente quién está en la forma final y quién no utiliza algoritmos que minimizan la transmisión y el almacenamiento de información. Finalmente, los módulos que no están en la estructura se sueltan y caen bajo el control de una fuerza externa, en este caso la gravedad. Más detalles en Miche (Rus et al.).

Una configuración de 10 módulos del Distributed Flight Array en vuelo.

La matriz de vuelo distribuida (2009)

Distributed Flight Array es un robot modular que consta de unidades de un solo rotor de forma hexagonal que pueden adoptar casi cualquier forma. Aunque cada unidad es capaz de generar suficiente empuje para levantarse del suelo, por sí sola es incapaz de volar, al igual que un helicóptero no puede volar sin su rotor de cola. Sin embargo, cuando se unen, estas unidades evolucionan hacia un sofisticado sistema de múltiples rotores capaz de un vuelo coordinado y mucho más. Puede encontrar más información en DFA. ^[13]

Roombots (2009)

Roombots ^[14]tener una arquitectura híbrida. Cada módulo tiene tres grados de libertad, dos de ellos usando el eje diametral dentro de un cubo regular, y un tercer eje de rotación (central) que conecta las dos partes esféricas. Los tres ejes giran continuamente. El DOF externo de Roombots utiliza la misma orientación de eje que los Molecubes, el tercer eje central de Roombots permite que el módulo gire sus dos DOF ​​externos entre sí. Esta novedosa característica permite que un solo módulo Roombots se mueva en terreno plano, pero también que trepe por una pared o cruce un borde perpendicular cóncavo. Los bordes convexos requieren el ensamblaje de al menos dos módulos en un "Metamódulo" de Roombots. Cada módulo tiene diez ranuras para conectores disponibles, actualmente dos de ellos están equipados con un mecanismo de conexión activo basado en pestillos mecánicos. Los Roombots están diseñados para dos tareas:para eventualmente dar forma a objetos de la vida diaria, por ejemplo, muebles, y para locomotora, por ejemplo, como un robot cuadrúpedo o trípode hecho de múltiples módulos. Puede encontrar más información en la página web de Roombots.^[15]

Sambot (2010)

Inspirándose en insectos sociales, organismos multicelulares y robots morfogenéticos, el objetivo del Sambot ^[16] es desarrollar la robótica del enjambre y realizar investigaciones sobre la inteligencia del enjambre., autoensamblaje y coevolución del cuerpo y el cerebro para morfogéneos autónomos. A diferencia del robot de enjambre, el robot auto reconfigurable y el robot morfgenético, la investigación se centra en robots modulares de enjambre de autoensamblaje que interactúan y se acoplan como un módulo móvil autónomo con otros para lograr inteligencia de enjambre y discutir más a fondo la construcción autónoma en la estación espacial y herramientas de exploración. y estructuras complejas artificiales. Cada robot Sambot puede funcionar como un individuo autónomo en la rueda y, además, utilizando la combinación de los sensores y el mecanismo de acoplamiento, el robot puede interactuar y acoplarse con los entornos y otros robots. Con la ventaja del movimiento y la conexión, los enjambres de Sambot pueden agregarse en un organismo simbiótico o completo y generar locomoción como los robots articulares biónicos. En este caso, algunos autoensamblados, autoorganizados,La función de autoconfiguración y autorreparación y la investigación están disponibles en la vista de diseño y aplicación. En el interior del robot modular cuyo tamaño es 80 (W) X80 (L) X102 (H) mm, MCU (ARM y AVR), comunicación (Zigbee), sensores, potencia, IMU, módulos de posicionamiento están integrados. Puede encontrar más información en "Robots modulares de enjambre de autoensamblaje".^[17]

Motein

Moteínas (2011)

Está matemáticamente probado que las cuerdas físicas o cadenas de formas simples se pueden plegar en cualquier área continua o forma volumétrica. Moteins emplea estrategias de plegado universal de formas, con tan solo uno (para formas 2D) o dos (para formas 3D) grados de libertad y actuadores simples con tan solo dos (para formas 2D) o tres (para formas 3D) estados. por unidad. ^[18]

Symbrion (2013)

Symbrion (Organismos robotizados evolutivos simbióticos) fue un proyecto financiado por la Comisión Europea entre 2008 y 2013 para desarrollar un marco en el que un enjambre homogéneo de robots interdependientes en miniatura puedan ensamblarse en un organismo robótico más grande para ganar impulso en la resolución de problemas. Uno de los aspectos clave de Symbrion está inspirado en el mundo biológico: un genoma artificial que permite almacenar y evolucionar configuraciones subóptimas para aumentar la velocidad de adaptación. Una gran parte de los desarrollos dentro de Symbrion es de código abierto y hardware abierto. ^[19]

Motor espacial (2018)

Space Engine es una plataforma cinemática autónoma con morfología variable, capaz de crear o manipular el espacio físico (espacio vital, espacio de trabajo, espacio de recreación). Generando su propia fuerza cinética multidireccional para manipular objetos y realizar tareas.

Al menos 3 o más cerraduras por cada módulo, capaces de acoplarse o separarse automáticamente de sus módulos inmediatos para formar estructuras rígidas. Los módulos se impulsan en un movimiento lineal hacia adelante o hacia atrás solo en los planos espaciales X, Y o Z, mientras crean sus propias fuerzas de impulso, capaces de impulsarse por la variación de presión controlada creada entre uno o más de sus módulos inmediatos.

Utilizando presiones magnéticas para atraer y / o repeler con sus módulos inmediatos. Mientras que el módulo de propulsión usa sus electroimanes para tirar o empujar hacia adelante a lo largo de la calzada creada por los módulos de estadística, los módulos de estadística tiran o empujan los módulos de propulsión hacia adelante. Aumentar el número de módulos para el desplazamiento también aumenta el impulso total o las fuerzas de empuje / tracción. El número de electroimanes en cada módulo puede cambiar según los requisitos del diseño.

Los módulos en el exterior de las matrices no pueden desplazarse de forma independiente por sí mismos, debido a la falta de una o más caras de reacción de los módulos inmediatos. Se mueven uniéndose a módulos en el interior de las matrices, que pueden formar una calzada completa para el desplazamiento.

• Desplazamiento del motor espacial
• Desplazamiento del motor espacial

• Diseño de celda de gravedad cero del motor espacial

• Diseño de celda de gravedad de motor espacial

Logro cuantitativo

• El robot con más módulos activos tiene 56 unidades <polybot ciempiés, PARC>
• La unidad modular accionada más pequeña tiene un tamaño de 12 mm ^[20]
• La unidad modular accionada más grande (por volumen) tiene el tamaño de 8 m ^ 3 <(GHFC) catoms gigantes llenos de helio, CMU>
• Los módulos de actuación más fuertes son capaces de levantar 5 unidades idénticas en voladizo horizontal. <PolyBot g1v5, PARC>
• El robot modular más rápido puede moverse a 23 tamaños de unidad / segundo. <CKbot, dynamic rolling, ISER'06>
• El sistema simulado más grande contenía muchos cientos de miles de unidades. ^{[21] [22]}

Desafíos, soluciones y oportunidades

Desde las primeras demostraciones de los primeros sistemas modulares de reconfiguración automática, el tamaño, la solidez y el rendimiento han mejorado continuamente. Paralelamente, los algoritmos de planificación y control han ido avanzando para manejar miles de unidades. Sin embargo, existen varios pasos clave que son necesarios para que estos sistemas cumplan su promesa de adaptabilidad, robustez y bajo costo . Estos pasos se pueden dividir en desafíos en el diseño del hardware, en los algoritmos de planificación y control y en la aplicación. Estos desafíos a menudo están entrelazados.

Desafíos de diseño de hardware

La medida en que se pueda realizar la promesa de los sistemas robóticos autoconfigurados depende fundamentalmente de la cantidad de módulos en el sistema. Hasta la fecha, solo se han demostrado sistemas con hasta alrededor de 50 unidades, con este número estancado durante casi una década. Hay una serie de factores limitantes fundamentales que rigen este número:

• Límites de resistencia, precisión y solidez de campo (tanto mecánica como eléctrica) de las interfaces de unión / acoplamiento entre módulos
• Límites en la potencia del motor, la precisión del movimiento y la eficiencia energética de las unidades (es decir, potencia específica, par específico)
• Diseño de hardware / software. Hardware diseñado para facilitar el problema del software. Los sistemas de reconfiguración automática tienen hardware y software más estrechamente acoplados que cualquier otro sistema existente.

Desafíos de planificación y control

Aunque se han desarrollado algoritmos para manejar miles de unidades en condiciones ideales, los desafíos a la escalabilidad permanecen tanto en el control de bajo nivel como en la planificación de alto nivel para superar las limitaciones realistas:

• Algoritmos de movimiento paralelo para manipulación y locomoción a gran escala
• Algoritmos para manejar de manera robusta una variedad de modos de falla, desde desalineaciones, unidades muertas (que no responden, no se liberan) hasta unidades que se comportan de manera errática.
• Algoritmos que determinan la configuración óptima para una tarea determinada
• Algoritmos para un plan de reconfiguración óptimo (tiempo, energía)
• Comunicación eficiente y escalable (asíncrona) entre varias unidades

Desafíos de la aplicación

Aunque se reconocen en gran medida las ventajas de los sistemas robóticos de reconfiguración automática modular, ha sido difícil identificar dominios de aplicación específicos en los que se puedan demostrar beneficios a corto plazo. Algunas aplicaciones sugeridas son

• Aplicaciones de exploración espacial y colonización espacial , por ejemplo, colonización lunar
• Construcción de grandes sistemas arquitectónicos
• Exploración / minería de aguas profundas
• Búsqueda y rescate en entornos no estructurados
• Construcción rápida de herramientas arbitrarias bajo restricciones de espacio / peso
• Refugios de socorro en casos de desastre para personas desplazadas
• Refugios para áreas empobrecidas que requieren poca experiencia en el terreno para ensamblar

Grandes desafíos

Varios campos de la robótica han identificado Grandes Desafíos que actúan como un catalizador para el desarrollo y sirven como un objetivo a corto plazo en ausencia de aplicaciones asesinas inmediatas . El Gran Desafío no es en sí mismo una agenda de investigación o un hito, sino un medio para estimular y evaluar el progreso coordinado a través de múltiples fronteras técnicas. Se han propuesto varios Grandes Desafíos para el campo de la robótica modular autoconfigurable:

• Demostración de un sistema con> 1000 unidades . La demostración física de tal sistema requerirá inevitablemente repensar el hardware clave y los problemas algorítmicos, así como manejar el ruido y los errores.
• Robosfera . Una ecología robótica autosostenible, aislado por un largo período de tiempo (1 año) que se necesita para mantener el funcionamiento y realizar tareas imprevistas y sin ninguna presencia humana.
• Autorreplicación Un sistema con muchas unidades capaces de autorreplicarse mediante la recopilación de bloques de construcción dispersos requerirá resolver muchos de los desafíos algorítmicos y de hardware.
• Ultimate Construction Un sistema capaz de fabricar objetos a partir de los componentes de, digamos, una pared.
• Analogía del biofiltro Si el sistema alguna vez se hace lo suficientemente pequeño como para inyectarlo en un mamífero, una tarea puede ser monitorear las moléculas en el torrente sanguíneo y permitir que algunas pasen y otras no, algo parecido a la barrera hematoencefálica . Como desafío, se puede hacer una analogía donde el sistema debe ser capaz de:
  • insertarse en un orificio del diámetro de un módulo.
  • recorre una distancia específica en un canal, es decir, aproximadamente 40 x 40 diámetros de módulo en el área.
  • Formar una barrera que se ajuste totalmente al canal (cuya forma no es regular y se desconoce de antemano).
  • permitir que algunos objetos pasen y otros no (no según el tamaño).
  • Dado que la detección no es el énfasis de este trabajo, la detección real de los objetos transitables debe ser trivial.

Transductores inductivos

Una solución potencial única que se puede aprovechar es el uso de inductores como transductores. Esto podría resultar útil para solucionar problemas de acoplamiento y acoplamiento. Al mismo tiempo, también podría ser beneficioso por sus capacidades de detección de acoplamiento (alineación y búsqueda de distancia), transmisión de energía y comunicación (señal de datos). Puede ver un video de prueba de concepto aquí . La exploración bastante limitada a lo largo de esta avenida es probablemente una consecuencia de la falta histórica de necesidad en cualquier aplicación de tal enfoque.

grupos de Google

Self-Reconfiguring and Modular Technology es un grupo de discusión sobre la percepción y comprensión del campo en desarrollo de la robótica.

Modular Robotics Google Group es un foro público abierto dedicado a anuncios de eventos en el campo de Modular Robotics. Este medio se utiliza para difundir convocatorias a talleres, ediciones especiales y otras actividades académicas de interés para los investigadores de robótica modular. Los fundadores de este grupo de Google pretenden facilitar el intercambio de información e ideas dentro de la comunidad de investigadores de robótica modular de todo el mundo y así promover la aceleración de los avances en robótica modular. Cualquiera que esté interesado en los objetivos y avances de Modular Robotics puede unirse a este grupo de Google y conocer los nuevos desarrollos en este campo.

Sitios web dedicados específicamente a explorar esta tecnología

• "Sobre de flexibilidad" . Robótica modular auto reconfigurable y el futuro creado .
• "Tecnología Modular Auto Reconfigurable" . Colección de sitios web, páginas web, videoclips, artículos y documentos .

Ver también

• The Invincible , una novela de ciencia ficción de 1964 con intriga centrada en enjambres nanobóticos autoconfigurables
• Escenario de sustancia pegajosa gris
• Máquina de autorreplicación
• Biónica
• Robótica libre
• Robótica morfogenética
• Materia programable
• Prótesis
• Niebla de utilidad

Otras lecturas

• "Robots auto reconfigurables una introducción" . Gran introducción a dónde está SRCMR hoy, cómo llegó allí y hacia dónde debe ir en el futuro . Archivado desde el original el 5 de agosto de 2011 . Consultado el 13 de julio de 2011 .
• Murata, Satoshi; Kurokawa, Haruhisa (2012). Robots autoorganizados . De la biología, a través del robot, a la molécula . Springer Tracts en Robótica Avanzada. 77 . doi : 10.1007 / 978-4-431-54055-7 . ISBN 978-4-431-54054-0.

Referencias

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4. "Robots modulares reconfigurables en aplicaciones espaciales" (PDF) . Centro de Investigación de Palo Alto ( PARC ). 2004.
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7. Levi, P .; Meister, E .; van Rossum, AC; Krajnik, T .; Vonasek, V .; Stepan, P .; Liu, W .; Capparrelli, F. (31 de marzo de 2014). "Una arquitectura cognitiva para robots modulares y autoconfigurables" (PDF) . Actas de la Conferencia Internacional de Sistemas de IEEE 2014 . Conferencia de sistemas (SysCon), 2014 8th Annual IEEE. págs. 465–472. doi : 10.1109 / SysCon.2014.6819298 . ISBN  978-1-4799-2086-0. S2CID  30709324 .
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• Sistemas de robots modulares autoconfigurables: desafíos y oportunidades para el futuro, por Yim, Shen, Salemi, Rus, Moll, Lipson, Klavins & Chirikjian, publicado en la revista IEEE Robotics & Automation en marzo de 2007 [5]
• Robot autoconfigurable: Los robots celulares que cambian de forma pueden superar la flexibilidad de los robots convencionales, por Murata & Kurokawa, publicado en la revista IEEE Robotics & Automation en marzo de 2007 [6] ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Técnica de selección de la configuración del centro para el robot modular reconfigurable. Por Liu JG, Wang YC, et al., Publicado en Science in China Series F: Information Sciences 2007. [7]
• Esenciales de robótica modular de auto reconfiguración, ciencia popular Introducción a los fundamentos de SRCMR y algunas de las profundas consecuencias que tendrá. Por Per Sjöborg 2009. [8]

enlaces externos

Wikilibros tiene un libro sobre el tema de: Robótica: Robots exóticos: Robots modulares y fractales

• "Laboratorio de Robótica Distribuida" . Laboratorio de Robótica Distribuida en MIT .
• "Robots modulares en PARC" . Robots modulares reconfigurables . Archivado desde el original el 20 de febrero de 2007 . Consultado el 3 de febrero de 2007 .
• "ModLab en la Universidad de Pennsylvania" . Investigación en Robótica Modular Reconfigurable .
• "Proyecto Claytronics en la Universidad Carnegie Mellon" . Investigación colaborativa en materia programable .
• "Grupo de Robótica Modular Universidad del Sur de Dinamarca" . Investigación en Robótica Modular y Auto Reconfigurable . Archivado desde el original el 7 de julio de 2009 . Consultado el 17 de junio de 2009 .
• "Laboratorio Fukuda" . Investigación en Robótica Modular y Auto Reconfigurable y Micro-Nano Sistemas .
• "Laboratorio de Biorrobótica" . Investigación en robótica modular y auto reconfigurable, robótica bioinspirada, sistemas dinámicos (ej. CPGs), robótica de rehabilitación .