Robot modulaire auto-reconfigurable - Self-reconfiguring modular robot

Les systèmes robotiques modulaires auto-reconfigurables ou robots modulaires auto-reconfigurables sont des machines cinématiques autonomes à morphologie variable. Au-delà de l'actionnement, de la détection et du contrôle conventionnels que l'on trouve généralement dans les robots à morphologie fixe, les robots à reconfiguration automatique sont également capables de modifier délibérément leur propre forme en réorganisant la connectivité de leurs pièces, afin de s'adapter à de nouvelles circonstances, d'effectuer de nouvelles tâches ou de récupérer. des dommages.

Par exemple, un robot composé de tels composants pourrait prendre la forme d'un ver pour se déplacer dans un tuyau étroit, se réassembler en quelque chose avec des pattes en forme d' araignée pour traverser un terrain accidenté, puis former un troisième objet arbitraire (comme une balle ou une roue qui peut spin lui-même) pour se déplacer rapidement sur un terrain assez plat; il peut également être utilisé pour fabriquer des objets "fixes", tels que des murs, des abris ou des bâtiments.

Dans certains cas, cela implique que chaque module possède 2 connecteurs ou plus pour en connecter plusieurs ensemble. Ils peuvent contenir de l' électronique , des capteurs , des processeurs informatiques , de la mémoire et des alimentations électriques ; ils peuvent également contenir des actionneurs qui sont utilisés pour manipuler leur emplacement dans l'environnement et en relation les uns avec les autres. Une caractéristique trouvée dans certains cas est la capacité des modules à se connecter et à se déconnecter automatiquement les uns des autres, et à former de nombreux objets ou à effectuer de nombreuses tâches en déplaçant ou en manipulant l'environnement.

En disant "auto-reconfigurable" ou "auto-reconfigurable", cela signifie que le mécanisme ou le dispositif est capable d'utiliser son propre système de contrôle tel qu'avec des actionneurs ou des moyens stochastiques pour changer sa forme structurelle globale. Avoir la qualité d'être "modulaire" dans la "robotique modulaire auto-reconfigurable", c'est-à-dire que le même module ou ensemble de modules peut être ajouté ou retiré du système, par opposition à être génériquement "modularisé" au sens large. L'intention sous-jacente est d'avoir un nombre indéfini de modules identiques, ou un ensemble fini et relativement petit de modules identiques, dans une structure maillée ou matricielle de modules auto-reconfigurables.

L'auto-reconfiguration est différente du concept d' auto-réplication , qui n'est pas une qualité qu'un module ou une collection de modules auto-reconfigurable doit posséder. Une matrice de modules n'a pas besoin de pouvoir augmenter la quantité de modules dans sa matrice pour être considérée comme auto-reconfigurable. Il suffit que les modules auto-reconfigurables soient produits dans une usine conventionnelle, où des machines dédiées emboutissent ou moulent des composants qui sont ensuite assemblés en un module, et ajoutés à une matrice existante afin de la compléter pour augmenter la quantité ou remplacer les sur les modules.

Une matrice composée de nombreux modules peut se séparer pour former plusieurs matrices avec moins de modules, ou elles peuvent se combiner, ou se recombiner, pour former une matrice plus grande. Certains avantages de la séparation en plusieurs matrices incluent la possibilité de s'attaquer à des tâches multiples et plus simples à des endroits éloignés les uns des autres simultanément, en passant par des barrières avec des ouvertures trop petites pour qu'une seule matrice plus grande puisse passer, mais pas trop petites pour une matrice plus petite fragments ou modules individuels, et à des fins d'économie d'énergie en n'utilisant que suffisamment de modules pour accomplir une tâche donnée. Certains avantages de la combinaison de plusieurs matrices en une seule matrice sont la possibilité de former des structures plus grandes telles qu'un pont allongé, des structures plus complexes telles qu'un robot avec de nombreux bras ou un bras avec plus de degrés de liberté et une force croissante. L'augmentation de la résistance, dans ce sens, peut prendre la forme d'une augmentation de la rigidité d'une structure fixe ou statique, d'une augmentation de la force nette ou collective pour soulever, abaisser, pousser ou tirer un autre objet ou une autre partie de la matrice, ou toute combinaison de ces caractéristiques.

Il existe deux méthodes de base d'articulation de segments que les mécanismes auto-reconfigurables peuvent utiliser pour remodeler leurs structures : la reconfiguration de la chaîne et la reconfiguration du réseau.

Structure et contrôle

Les robots modulaires sont généralement composés de plusieurs blocs de construction d'un répertoire relativement petit, avec des interfaces d'amarrage uniformes qui permettent le transfert des forces et des moments mécaniques, de l'alimentation électrique et de la communication dans tout le robot.

Les blocs de construction modulaires se composent généralement d'une unité structurelle principale actionnée et d'unités spécialisées potentiellement supplémentaires telles que des pinces, des pieds, des roues, des caméras, une charge utile et un stockage et une génération d'énergie.

Une taxonomie des architectures

Les systèmes robotiques modulaires auto-reconfigurables peuvent généralement être classés en plusieurs groupes architecturaux par la disposition géométrique de leur unité (treillis vs chaîne). Plusieurs systèmes présentent des propriétés hybrides et les robots modulaires ont également été classés dans les deux catégories Mobile Configuration Change (MCC) et Whole Body Locomotion (WBL).

Architecture en treillis : 12 modules du système de treillis homogène Micro Unit assemblés ensemble illustrés avec la grille et le réseau de points d'amarrage correspondants

• L'architecture en treillis a ses unités connectant leurs interfaces d'amarrage à des points dans des cellules virtuelles d'une grille régulière. Ce réseau de points d'amarrage peut être comparé aux atomes d'un cristal et la grille au réseau de ce cristal. Par conséquent, les caractéristiques cinématiques des robots en réseau peuvent être caractérisées par leurs groupes de déplacement cristallographiques correspondants ( groupes d'espace chiraux ). Habituellement, peu d'unités sont suffisantes pour accomplir une étape de reconfiguration. Les architectures en treillis permettent une conception mécanique plus simple et une représentation informatique plus simple et une planification de la reconfiguration qui peuvent être plus facilement adaptées à des systèmes complexes.
• L'architecture en chaîne n'utilise pas de réseau virtuel de points d'accueil pour leurs unités. Les unités sont capables d'atteindre n'importe quel point de l'espace et sont donc plus polyvalentes, mais une chaîne de plusieurs unités peut être nécessaire pour atteindre un point rendant généralement plus difficile la réalisation d'une étape de reconfiguration. De tels systèmes sont également plus difficiles à représenter et à analyser sur le plan informatique.
• L'architecture hybride tire parti des deux architectures précédentes. La commande et le mécanisme sont conçus pour la reconfiguration du treillis mais permettent également d'atteindre n'importe quel point de l'espace.

Les systèmes robotiques modulaires peuvent également être classés en fonction de la manière dont les unités sont reconfigurées (déplacées) en place.

• La reconfiguration déterministe repose sur le déplacement ou la manipulation directe des unités vers leur emplacement cible pendant la reconfiguration. L'emplacement exact de chaque unité est connu à tout moment. Les temps de reconfiguration peuvent être garantis, mais un contrôle de rétroaction sophistiqué est nécessaire pour assurer une manipulation précise. Les systèmes à l'échelle macro sont généralement déterministes.
• La reconfiguration stochastique repose sur le déplacement des unités à l'aide de processus statistiques (comme le mouvement brownien). L'emplacement exact de chaque unité n'est connu que lorsqu'il est connecté à la structure principale, mais il peut prendre des chemins inconnus pour se déplacer entre les emplacements. Les temps de reconfiguration ne peuvent être garantis que statistiquement. Les architectures stochastiques sont plus favorables aux micro-échelles.

Les systèmes robotiques modulaires sont également généralement classés en fonction de la conception des modules.

• Les systèmes robotiques modulaires homogènes ont de nombreux modules de la même conception formant une structure appropriée pour effectuer la tâche requise. Un avantage par rapport aux autres systèmes est qu'ils sont simples à mettre à l'échelle en taille (et éventuellement en fonction), en ajoutant plus d'unités. Un inconvénient couramment décrit est les limites de la fonctionnalité - ces systèmes nécessitent souvent plus de modules pour réaliser une fonction donnée, que les systèmes hétérogènes.
• Les systèmes de robots modulaires hétérogènes ont différents modules, chacun remplissant des fonctions spécialisées, formant une structure adaptée à l'exécution d'une tâche. Un avantage est la compacité et la polyvalence pour concevoir et ajouter des unités pour effectuer n'importe quelle tâche. Un inconvénient couramment décrit est une augmentation de la complexité des méthodes de conception, de fabrication et de simulation.
  

  Représentation conceptuelle pour la reconfiguration intra-, inter- et imbriquée sous taxonomie de robots reconfigurables.

D'autres systèmes robotiques modulaires existent qui ne sont pas auto-reconfigurables, et n'appartiennent donc pas formellement à cette famille de robots bien qu'ils puissent avoir une apparence similaire. Par exemple, les systèmes d' auto-assemblage peuvent être composés de plusieurs modules mais ne peuvent pas contrôler dynamiquement leur forme cible. De même, la robotique de tenségrité peut être composée de plusieurs modules interchangeables mais ne peut pas s'auto-reconfigurer. Les systèmes robotiques auto-reconfigurables sont reconfigurables par rapport à leurs homologues à morphologie fixe et peuvent être définis comme la mesure/le degré auquel un robot ou des systèmes robotiques auto-reconfigurables peuvent se transformer et évoluer vers une autre configuration significative avec un certain degré d'autonomie ou d'humain. intervention. Le système reconfigurable peut également être classé selon la reconfigurabilité du mécanisme.

• L'intra-reconfigurabilité pour les robots est désignée comme un système qui est une entité unique tout en ayant la capacité de changer de morphologie sans assemblage/désassemblage.
• L'inter-reconfigurabilité est définie comme dans quelle mesure un système robotique peut changer sa morphologie en assemblant ou en désassemblant ses composants ou modules.
• La reconfigurabilité imbriquée pour système robotique est un ensemble de robots modulaires avec des caractéristiques de reconfiguration individuelles (intra-reconfigurabilité) qui se combinent avec d'autres modules de robot homogènes ou hétérogènes (inter-reconfigurabilité).

Motivation et inspiration

Il existe deux motivations clés pour la conception de systèmes robotiques modulaires à reconfiguration automatique.

• Avantage fonctionnel : Les systèmes robotiques à reconfiguration automatique sont potentiellement plus robustes et plus adaptatifs que les systèmes conventionnels. La capacité de reconfiguration permet à un robot ou à un groupe de robots de démonter et de réassembler des machines pour former de nouvelles morphologies mieux adaptées à de nouvelles tâches, comme passer d'un robot à pattes à un robot serpent ( Snakebot ) puis à un robot roulant. Étant donné que les pièces du robot sont interchangeables (au sein d'un robot et entre différents robots), les machines peuvent également remplacer les pièces défectueuses de manière autonome, conduisant à une auto-réparation.

Robotique modulaire autonome dans l'espace

• Avantage économique : les systèmes robotiques à reconfiguration automatique peuvent potentiellement réduire le coût global du robot en fabriquant une gamme de machines complexes à partir d'un seul (ou relativement peu) types de modules produits en série.

Ces deux avantages n'ont pas encore été pleinement réalisés. Un robot modulaire est susceptible d'avoir des performances inférieures à n'importe quel robot personnalisé conçu pour une tâche spécifique. Cependant, l'avantage de la robotique modulaire n'est apparent que lorsque l'on considère plusieurs tâches qui nécessiteraient normalement un ensemble de robots différents.

Les degrés de liberté supplémentaires rendent les robots modulaires plus polyvalents dans leurs capacités potentielles, mais entraînent également un compromis en termes de performances et des complexités mécaniques et informatiques accrues.

La quête de structures robotiques à reconfiguration automatique est dans une certaine mesure inspirée par les applications envisagées telles que les missions spatiales à long terme, qui nécessitent une écologie robotique autonome à long terme capable de gérer des situations imprévues et pouvant nécessiter une auto-réparation. Une deuxième source d'inspiration sont les systèmes biologiques qui sont auto-construits à partir d'un répertoire relativement petit de blocs de construction de niveau inférieur (cellules ou acides aminés, selon l'échelle d'intérêt). Cette architecture sous-tend la capacité des systèmes biologiques à s'adapter physiquement, à croître, à guérir et même à se répliquer, des capacités qui seraient souhaitables dans de nombreux systèmes d'ingénierie.

Zone d'application

Compte tenu de ces avantages, où utiliser un système modulaire auto-reconfigurable ? Alors que le système a la promesse d'être capable de faire une grande variété de choses, trouver la « killer application » a été quelque peu insaisissable. Voici plusieurs exemples :

Exploration de l'espace

Une application qui met en évidence les avantages des systèmes auto-reconfigurables est celle des missions spatiales à long terme. Ceux-ci nécessitent une écologie robotique autonome à long terme qui peut gérer des situations imprévues et peut nécessiter une auto-réparation. Les systèmes auto-reconfigurables ont la capacité de gérer des tâches qui ne sont pas connues a priori, notamment par rapport aux systèmes à configuration fixe. De plus, les missions spatiales sont fortement contraintes en termes de volume et de masse. L'envoi d'un système de robot qui peut se reconfigurer pour accomplir de nombreuses tâches peut être plus efficace que d'envoyer de nombreux robots qui peuvent chacun effectuer une tâche.

Telepario

Un autre exemple d'application a été inventé "telepario" par les professeurs de la CMU Todd Mowry et Seth Goldstein. Ce que les chercheurs proposent de faire, ce sont des répliques mobiles, physiques et tridimensionnelles de personnes ou d'objets, si réalistes que les sens humains les accepteraient comme réelles. Cela éliminerait le besoin d'un équipement de réalité virtuelle encombrant et surmonterait les limitations d'angle de vision des approches 3D modernes. Les répliques imiteraient la forme et l'apparence d'une personne ou d'un objet imagé en temps réel, et à mesure que les originaux se déplaçaient, leurs répliques feraient de même. Un aspect de cette application est que l'axe principal de développement est la représentation géométrique plutôt que l'application de forces à l'environnement comme dans une tâche de manipulation robotique typique. Ce projet est largement connu sous le nom de claytronics ou de matière programmable (en notant que la matière programmable est un terme beaucoup plus général, englobant également les matériaux programmables fonctionnels).

Seau de trucs

Une troisième vision à long terme pour ces systèmes a été appelée « seau de trucs ». Dans cette vision, les consommateurs du futur disposent d'un conteneur de modules auto-reconfigurables, par exemple dans leur garage, sous-sol ou grenier. Lorsque le besoin s'en fait sentir, le consommateur appelle les robots pour accomplir une tâche telle que « nettoyer les gouttières » ou « changer l'huile dans la voiture » ​​et le robot prend la forme nécessaire et effectue la tâche.

Histoire et état de l'art

Les racines du concept de robots modulaires auto-reconfigurables remontent à l'effecteur final "à changement rapide" et aux changeurs d'outils automatiques dans les centres d'usinage à commande numérique dans les années 1970. Ici, des modules spéciaux dotés chacun d'un mécanisme de connexion commun pourraient être automatiquement échangés à l'extrémité d'un bras robotique. Cependant, prendre le concept de base du mécanisme de connexion commun et l'appliquer à l'ensemble du robot a été introduit par Toshio Fukuda avec le CEBOT (abréviation de robot cellulaire) à la fin des années 1980.

Le début des années 1990 a vu le développement de Greg Chirikjian, Mark Yim, Joseph Michael et Satoshi Murata. Chirikjian, Michael et Murata ont développé des systèmes de reconfiguration de réseau et Yim a développé un système basé sur une chaîne. Alors que ces chercheurs ont commencé par se concentrer sur l'ingénierie mécanique, concevant et construisant des modules puis développant du code pour les programmer, le travail de Daniela Rus et Wei-min Shen a développé du matériel mais a eu un impact plus important sur les aspects de programmation. Ils ont lancé une tendance vers des algorithmes distribués prouvables ou vérifiables pour le contrôle d'un grand nombre de modules.

L'une des plates-formes matérielles les plus intéressantes récemment a été les systèmes MTRAN II et III développés par Satoshi Murata et al. Ce système est un système hybride chaîne et treillis. Il a l'avantage de pouvoir réaliser des tâches plus facilement comme des systèmes à chaînes, mais se reconfigure comme un système en treillis.

Plus récemment, de nouveaux efforts d'auto-assemblage stochastique ont été poursuivis par Hod Lipson et Eric Klavins. Un effort important à l'Université Carnegie Mellon dirigé par Seth Goldstein et Todd Mowry a commencé à examiner les problèmes liés au développement de millions de modules.

De nombreuses tâches se sont avérées réalisables, notamment avec des modules de reconfiguration de chaîne. Cela démontre la polyvalence de ces systèmes cependant, les deux autres avantages, la robustesse et le faible coût n'ont pas été démontrés. En général, les systèmes prototypes développés dans les laboratoires ont été fragiles et coûteux, comme on pouvait s'y attendre lors de tout développement initial.

Il existe un nombre croissant de groupes de recherche activement impliqués dans la recherche en robotique modulaire. À ce jour, environ 30 systèmes ont été conçus et construits, dont certains sont présentés ci-dessous.

Quelques systèmes actuels

Robot modulaire auto-reconfigurable Polybot G3

PolyBot G3 (2002)

Un système d'auto-reconfiguration de la chaîne. Chaque module mesure environ 50 mm de côté et possède 1 DOF rotatif. Il fait partie de la famille de robots modulaires PolyBot qui a démontré de nombreux modes de locomotion, y compris la marche : bipède, 14 pattes, slinky, semblable à un serpent : concertina dans un trou de gopher, démarches de vers, ondulation rectiligne et démarches latérales, roulant comme un marcher jusqu'à 1,4 m/s, monter sur un tricycle, monter : escaliers, poteaux, rampes, etc. Vous trouverez plus d'informations sur la page Web polybot du PARC.

Métamorphose par un robot auto-reconfigurable, M-TRAN III

M-TRAN III (2005)

Un système auto-reconfigurable de type hybride. Chaque module a une taille de deux cubes (côté 65 mm) et possède 2 DOF rotatifs et 6 surfaces planes pour la connexion. Il s'agit du 3ème prototype M-TRAN. Par rapport au premier (M-TRAN II), la vitesse et la fiabilité de la connexion sont largement améliorées. En tant que système de type chaîne, la locomotion par contrôleur CPG (Central Pattern Generator) sous diverses formes a été démontrée par M-TRAN II. En tant que système de type treillis, il peut changer de configuration, par exemple, entre un marcheur à 4 pattes et un robot comme une chenille. Voir la page Web M-TRAN à l'AIST.

AMOEBA-I (2005)

AMOEBA-I, un robot mobile reconfigurable à trois modules a été développé au Shenyang Institute of Automation (SIA), Académie chinoise des sciences (CAS) par Liu JG et al. [1] [2] .AMOEBA-I a neuf types de configurations non isomorphes et une grande mobilité dans des environnements non structurés. Quatre générations de sa plate-forme ont été développées et une série de recherches ont été menées sur leur mécanisme de reconfiguration, les configurations non isomorphes, la stabilité au basculement et la planification de la reconfiguration. Des expériences ont démontré qu'une telle structure permet une bonne mobilité et une grande flexibilité sur un terrain accidenté. Hyper redondant, modularisé et reconfigurable, AMOEBA-I a de nombreuses applications possibles telles que la recherche et le sauvetage urbains (USAR) et l'exploration spatiale. Réf_1 : voir [3] ; Réf_2 : voir [4]

Stochastique-3D (2005)

Une haute résolution spatiale pour la formation de formes tridimensionnelles arbitraires avec des robots modulaires peut être obtenue en utilisant un système en treillis avec de grandes quantités de très petits modules potentiellement microscopiques. À petite échelle et avec de grandes quantités de modules, le contrôle déterministe de la reconfiguration des modules individuels deviendra irréalisable, tandis que les mécanismes stochastiques prévaudront naturellement. La taille microscopique des modules rendra l'utilisation de l'actionnement électromagnétique et de l'interconnexion prohibitive, ainsi que l'utilisation du stockage d'énergie embarqué.

Trois prototypes à grande échelle ont été construits pour tenter de démontrer une reconfiguration stochastique tridimensionnelle programmable dynamiquement dans un environnement de flottabilité neutre. Le premier prototype utilisait des électro-aimants pour la reconfiguration et l'interconnexion des modules. Les modules étaient des cubes de 100 mm et pesaient 0,81 kg. Le deuxième prototype utilisait un mécanisme de reconfiguration fluidique et d'interconnexion stochastique. Ses modules cubiques de 130 mm pesaient 1,78 kg chacun et ralentissaient excessivement les expériences de reconfiguration. La troisième implémentation actuelle hérite du principe de reconfiguration fluidique. La taille de la grille du réseau est de 80 mm et les expériences de reconfiguration sont en cours.

Molécubes en mouvement

Molécubes (2005)

Ce système hybride d'auto-reconfiguration a été construit par le Cornell Computational Synthesis Lab pour démontrer physiquement l'auto-reproduction cinématique artificielle. Chaque module est un cube de 0,65 kg avec des bords de 100 mm de long et un degré de liberté de rotation. L'axe de rotation est aligné avec la plus longue diagonale du cube. L'auto-reproduction physique d'un robot à trois et quatre modules a été démontrée. Il a également été montré que, sans tenir compte des contraintes de gravité, un nombre infini de méta-structures de chaînes auto-reproductrices peuvent être construites à partir de Molecubes. Vous trouverez plus d'informations sur la page Web d'auto-réplication CCSL .

Les parties programmables (2005)

Les pièces programmables sont agitées de manière aléatoire sur une table de hockey pneumatique par des jets d'air actionnés de manière aléatoire. Lorsqu'ils entrent en collision et collent, ils peuvent communiquer et décider s'ils doivent rester coincés ou si et quand se détacher. Des règles d'interaction locales peuvent être conçues et optimisées pour guider les robots dans la création de la forme globale souhaitée. Vous trouverez plus d'informations sur la page Web des pièces programmables .

SuperBot (2006)

Les modules SuperBot s'inscrivent dans l'architecture hybride. Les modules ont chacun trois degrés de liberté. La conception est basée sur deux systèmes précédents : Conro (par le même groupe de recherche) et MTRAN (par Murata et al.). Chaque module peut se connecter à un autre module via l'un de ses six connecteurs Dock. Ils peuvent communiquer et partager l'alimentation via leurs connecteurs de quai. Plusieurs allures de locomotion ont été développées pour différents agencements de modules. Pour une communication de haut niveau, les modules utilisent un contrôle basé sur les hormones, un protocole distribué et évolutif qui n'exige pas que les modules aient des identifiants uniques.

Miche (2006)

Le système Miche est un système de treillis modulaire capable de former des formes arbitraires. Chaque module est un module robotique autonome capable de se connecter et de communiquer avec ses voisins immédiats. Une fois assemblés dans une structure, les modules forment un système qui peut être virtuellement sculpté à l'aide d'une interface informatique et d'un processus distribué. Le groupe de modules décide collectivement qui est sur la forme finale et qui n'utilise pas d'algorithmes qui minimisent la transmission et le stockage d'informations. Enfin, les modules hors de la structure lâchent et tombent sous le contrôle d'une force extérieure, en l'occurrence la gravité. Plus de détails chez Miche (Rus et al.).

Une configuration de 10 modules du Distributed Flight Array en vol.

Le réseau de vol distribué (2009)

Le Distributed Flight Array est un robot modulaire composé d'unités à rotor unique de forme hexagonale qui peuvent prendre à peu près n'importe quelle forme. Bien que chaque unité soit capable de générer suffisamment de poussée pour se soulever du sol, elle est à elle seule incapable de voler, tout comme un hélicoptère ne peut pas voler sans son rotor de queue. Cependant, lorsqu'elles sont réunies, ces unités évoluent en un système multi-rotor sophistiqué capable de vol coordonné et bien plus encore. Vous trouverez plus d'informations sur DFA.

Robots de chambre (2009)

Les Roombots ont une architecture hybride. Chaque module a trois degrés de liberté, deux d'entre eux utilisant l'axe diamétral à l'intérieur d'un cube régulier, et un troisième (centre) axe de rotation reliant les deux parties sphériques. Les trois axes sont en rotation continue. Le DOF extérieur de Roombots utilise la même orientation d'axe que Molecubes, le troisième axe central de Roombots permet au module de faire pivoter ses deux DOF extérieurs l'un contre l'autre. Cette nouveauté permet à un seul module Roombots de se déplacer sur un terrain plat, mais aussi d'escalader un mur, ou de franchir une arête concave et perpendiculaire. Les bords convexes nécessitent l'assemblage d'au moins deux modules dans un "Métamodule" Roombots. Chaque module dispose de dix emplacements de connecteurs disponibles, actuellement deux d'entre eux sont équipés d'un mécanisme de connexion actif basé sur des loquets mécaniques. Les Roombots sont conçus pour deux tâches : façonner éventuellement des objets de la vie quotidienne, par exemple des meubles, et se déplacer, par exemple comme un robot quadrupède ou trépied composé de plusieurs modules. Vous trouverez plus d'informations sur la page Web de Roombots.

Sambot (2010)

S'inspirant des insectes sociaux, des organismes multicellulaires et des robots morphogénétiques, le Sambot a pour objectif de développer la robotique en essaim et de mener des recherches sur l' intelligence en essaim , l'auto-assemblage et la co-évolution du corps et du cerveau pour des morphogènes autonomes. À la différence du robot d'essaim, du robot auto-reconfigurable et du robot morphogénétique, la recherche se concentre sur des robots modulaires d'essaim d'auto-assemblage qui interagissent et s'arriment en tant que module mobile autonome avec d'autres pour obtenir une intelligence d'essaim et discuter en outre de la construction autonome dans la station spatiale et les outils d'exploration et des structures artificielles complexes. Chaque robot Sambot peut fonctionner comme un individu autonome dans la roue et en outre, en utilisant la combinaison des capteurs et du mécanisme d'amarrage, le robot peut interagir et s'arrimer avec les environnements et d'autres robots. Grâce à l'avantage du mouvement et de la connexion, les essaims de Sambot peuvent s'agréger en un organisme symbiotique ou entier et générer une locomotion en tant que robots articulaires bioniques. Dans ce cas, certaines fonctions et recherches d'auto-assemblage, d'auto-organisation, d'auto-reconfiguration et d'auto-réparation sont disponibles dans la vue de conception et d'application. À l'intérieur du robot modulaire dont la taille est de 80(L)X80(L)X102(H) mm, MCU (ARM et AVR), communication (Zigbee), capteurs, alimentation, IMU, modules de positionnement sont intégrés. Plus d'informations peuvent être trouvées sur "Robots modulaires à essaim à auto-assemblage".

Motein

Motein (2011)

Il est mathématiquement prouvé que des chaînes physiques ou des chaînes de formes simples peuvent être pliées en n'importe quelle zone continue ou forme volumétrique. Les moteins utilisent de telles stratégies de pliage universel de forme, avec aussi peu qu'un (pour les formes 2D) ou deux (pour les formes 3D) degrés de liberté et des actionneurs simples avec aussi peu que deux (pour les formes 2D) ou trois (pour les formes 3D) états par unité.

Symbrion (2013)

Symbrion (Symbiotic Evolutionary Robot Organisms) était un projet financé par la Commission européenne entre 2008 et 2013 pour développer un cadre dans lequel un essaim homogène de robots miniatures interdépendants peut se co-assembler en un organisme robotique plus grand pour gagner en élan de résolution de problèmes. L'un des aspects clés de Symbrion est inspiré du monde biologique : un génome artificiel qui permet le stockage et l'évolution de configurations sous-optimales afin d'augmenter la vitesse d'adaptation. Une grande partie des développements au sein de Symbrion est open-source et open-hardware.

Moteur spatial (2018)

Space Engine est une plateforme cinématique autonome à morphologie variable, capable de créer ou de manipuler l'espace physique (espace de vie, espace de travail, espace de loisirs). Générer sa propre force cinétique multidirectionnelle pour manipuler des objets et effectuer des tâches.

Au moins 3 serrures ou plus pour chaque module, capables de se fixer ou de se détacher automatiquement à ses modules immédiats pour former des structures rigides. Les modules se propulsent dans un mouvement linéaire vers l'avant ou vers l'arrière seuls les plans spatiaux X, Y ou Z, tout en créant leurs propres forces d'impulsion, capables de se propulser par la variation de pression contrôlée créée entre un ou plusieurs de ses modules immédiats.

Utiliser des pressions magnétiques pour attirer et/ou repousser avec ses modules immédiats. Tandis que le module de propulsion utilise ses électro-aimants pour tirer ou pousser vers l'avant le long de la chaussée créée par les modules statistiques, les modules statistiques tirent ou poussent les modules de propulsion vers l'avant. L'augmentation du nombre de modules pour le déplacement augmente également la quantité de mouvement totale ou les forces de poussée/traction. Le nombre d'électro-aimants sur chaque module peut changer selon les exigences de la conception.

Les modules à l'extérieur des matrices ne peuvent pas se déplacer de façon autonome, faute d'une ou plusieurs faces de réaction des modules immédiats. Ils sont déplacés en se fixant sur des modules à l'intérieur des matrices, qui peuvent former une chaussée complète pour le déplacement.

• Déplacement du moteur spatial
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  Déplacement du moteur spatial

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  Conception de la cellule à apesanteur du moteur spatial

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  Conception de la cellule de gravité du moteur spatial

Accomplissement quantitatif

• Le robot avec le plus de modules actifs a 56 unités <polybot centipede, PARC>
• La plus petite unité modulaire actionnée a une taille de 12 mm
• La plus grande unité modulaire actionnée (en volume) a la taille de 8 m^3 <(GHFC)catoms géants remplis d'hélium, CMU>
• Les modules d'actionnement les plus puissants sont capables de soulever 5 unités identiques en porte-à-faux horizontalement.<PolyBot g1v5, PARC>
• Le robot modulaire le plus rapide peut se déplacer à 23 unités/seconde.<CKbot, dynamic rolling, ISER'06>
• Le plus grand système simulé contenait plusieurs centaines de milliers d'unités.

Défis, solutions et opportunités

Depuis les premières démonstrations des premiers systèmes modulaires d'auto-reconfiguration, la taille, la robustesse et les performances n'ont cessé de s'améliorer. En parallèle, les algorithmes de planification et de contrôle ont progressé pour gérer des milliers d'unités. Cependant, plusieurs étapes clés sont nécessaires pour que ces systèmes réalisent leur promesse d' adaptabilité, de robustesse et de faible coût . Ces étapes peuvent être décomposées en défis dans la conception du matériel, dans les algorithmes de planification et de contrôle et dans l'application. Ces défis sont souvent liés.

Défis de conception de matériel

La mesure dans laquelle la promesse de systèmes robotiques à reconfiguration automatique peut être réalisée dépend de manière critique du nombre de modules dans le système. À ce jour, seuls des systèmes d'une cinquantaine d'unités ont été démontrés, ce nombre stagnant depuis près d'une décennie. Il existe un certain nombre de facteurs limitatifs fondamentaux qui régissent ce nombre :

• Limites de résistance, de précision et de robustesse sur le terrain (à la fois mécaniques et électriques) des interfaces de liaison/d'accueil entre les modules
• Limites de la puissance du moteur, de la précision du mouvement et de l'efficacité énergétique des unités (c'est-à-dire puissance spécifique, couple spécifique)
• Conception matérielle/logicielle. Matériel conçu pour faciliter le problème logiciel. Les systèmes à reconfiguration automatique ont du matériel et des logiciels plus étroitement couplés que tout autre système existant.

Défis de planification et de contrôle

Bien que des algorithmes aient été développés pour gérer des milliers d'unités dans des conditions idéales, les défis de l'évolutivité restent à la fois dans le contrôle de bas niveau et la planification de haut niveau pour surmonter les contraintes réalistes :

• Algorithmes de mouvement parallèle pour la manipulation et la locomotion à grande échelle
• Algorithmes pour gérer de manière robuste une variété de modes de défaillance, des désalignements, des unités mortes (ne répondant pas, ne se libérant pas) aux unités qui se comportent de manière erratique.
• Algorithmes qui déterminent la configuration optimale pour une tâche donnée
• Algorithmes pour un plan de reconfiguration optimal (temps, énergie)
• Communication efficace et évolutive (asynchrone) entre plusieurs unités

Défis applicatifs

Bien que les avantages des systèmes robotiques modulaires à auto-reconfiguration soient largement reconnus, il a été difficile d'identifier des domaines d'application spécifiques où les avantages peuvent être démontrés à court terme. Certaines applications suggérées sont

• Applications d' exploration spatiale et de colonisation spatiale , par exemple la colonisation lunaire
• Construction de grands systèmes architecturaux
• Exploration/exploitation minière en haute mer
• Recherche et sauvetage dans des environnements non structurés
• Construction rapide d'outils arbitraires sous contraintes d'espace/poids
• Abris de secours en cas de catastrophe pour les personnes déplacées
• Des abris pour quartiers défavorisés qui nécessitent peu d'expertise de terrain à assembler

Grands défis

Plusieurs domaines de la robotique ont identifié de grands défis qui agissent comme un catalyseur de développement et servent d'objectif à court terme en l'absence d' applications tueuses immédiates . Le Grand Challenge n'est pas en soi un programme de recherche ou un jalon, mais un moyen de stimuler et d'évaluer des progrès coordonnés à travers de multiples frontières techniques. Plusieurs Grands Défis ont été proposés pour le domaine de la robotique modulaire auto-reconfigurable :

• Démonstration d'un système avec >1000 unités . La démonstration physique d'un tel système nécessitera inévitablement de repenser les principaux problèmes matériels et algorithmiques, ainsi que la gestion du bruit et des erreurs.
• Robosphère . Une écologie robotique autonome, isolée pendant une longue période (1 an) qui doit maintenir son fonctionnement et accomplir des tâches imprévues sans aucune présence humaine.
• Auto-réplication Un système avec de nombreuses unités capables de s'auto-répliquer en collectant des blocs de construction dispersés nécessitera la résolution de nombreux défis matériels et algorithmiques.
• Construction ultime Un système capable de fabriquer des objets à partir des composants d'un mur, par exemple.
• Analogie avec le biofiltre Si le système est suffisamment petit pour être injecté dans un mammifère, une tâche peut être de surveiller les molécules dans le sang et de laisser passer certaines et d'autres non, un peu comme la barrière hémato-encéphalique . Comme défi, une analogie peut être faite où le système doit être capable de :
  • être inséré dans un trou d'un diamètre de module.
  • parcourir une certaine distance spécifiée dans un canal, c'est-à-dire environ 40 x 40 diamètres de module.
  • former une barrière parfaitement conforme au canal (dont la forme est irrégulière, et inconnue à l'avance).
  • laisser passer certains objets et d'autres pas (pas en fonction de la taille).
  • Puisque la détection n'est pas au centre de ce travail, la détection réelle des objets passables devrait être rendue triviale.

Transducteurs inductifs

Une solution potentielle unique qui peut être exploitée est l'utilisation d'inducteurs comme transducteurs. Cela pourrait être utile pour traiter les problèmes d'amarrage et de liaison. Dans le même temps, il pourrait également être bénéfique pour ses capacités de détection d'amarrage (alignement et distance de recherche), de transmission de puissance et de communication (signal de données). Une vidéo de preuve de concept peut être vue ici . L'exploration plutôt limitée de cette voie est probablement une conséquence du manque historique de besoin dans toutes les applications d'une telle approche.

Groupes Google

Auto-reconfiguration et technologie modulaire est un groupe de discussion sur la perception et la compréhension du domaine en développement.robotique.

Robotique modulaire Google Group est un forum public ouvert dédié aux annonces d'événements dans le domaine de la robotique modulaire. Ce support est utilisé pour diffuser des appels à des ateliers, des numéros spéciaux et d'autres activités académiques d'intérêt pour les chercheurs en robotique modulaire. Les fondateurs de ce groupe Google entendent faciliter l'échange d'informations et d'idées au sein de la communauté des chercheurs en robotique modulaire à travers le monde et ainsi favoriser l'accélération des avancées de la robotique modulaire. Toute personne intéressée par les objectifs et les progrès de la robotique modulaire peut rejoindre ce groupe Google et se renseigner sur les nouveaux développements dans ce domaine.

Sites dédiés spécifiquement à l'exploration de cette technologie

• "Enveloppe de flexibilité" . Robotique modulaire auto-reconfigurable et l'avenir créé .
• "Technologie modulaire auto-reconfigurable" . Collection de sites Web, de pages Web, de clips vidéo, d'articles et de documents .

Voir également

• The Invincible , un roman de science-fiction de 1964 avec une intrigue centrée sur des essaims nanobotiques auto-configurables
• Scénario de la boue grise
• Machine auto-répliquante
• Bionique
• Robotique gratuite
• Robotique morphogénétique
• Matière programmable
• Prothèse
• Brouillard utilitaire

Lectures complémentaires

• "Robots auto-reconfigurables Une introduction" . Excellente introduction à la situation actuelle de la SRCMR, à la manière dont elle y est arrivée et à la direction qu'elle doit prendre à l'avenir . Archivé de l'original le 5 août 2011 . Consulté le 13 juillet 2011 .
• Murata, Satoshi; Kurokawa, Haruhisa (2012). Robots auto-organisateurs . De la biologie, via le robot, à la molécule . Springer Tracts en robotique avancée. 77 . doi : 10.1007/978-4-431-54055-7 . ISBN 978-4-431-54054-0.

Les références

• Systèmes de robots modulaires auto-reconfigurables : défis et opportunités pour l'avenir, par Yim, Shen, Salemi, Rus, Moll, Lipson, Klavins & Chirikjian, publié dans le magazine IEEE Robotics & Automation de mars 2007 [5]
• Robot auto-reconfigurable : les robots cellulaires à changement de forme peuvent dépasser la flexibilité des robots conventionnels, par Murata & Kurokawa, publié dans le magazine IEEE Robotics & Automation de mars 2007 [6]
• Technique de sélection de configuration centrale pour le robot modulaire reconfigurable. Par Liu JG, Wang YC, et al., publié dans Science in China Series F: Information Sciences 2007. [7]
• Bases de la robotique modulaire auto-reconfigurable, Science populaire Introduction aux principes fondamentaux de la SRCMR et à certaines des conséquences profondes que cela aura. Par Per Sjöborg 2009. [8]

Liens externes

• "Laboratoire de robotique distribué" . Laboratoire de robotique distribué au MIT .
• "Robots Modulaires au PARC" . Robots modulaires reconfigurables . Archivé de l' original le 20 février 2007 . Récupéré le 3 février 2007 .
• "ModLab à l'Université de Pennsylvanie" . Recherche sur la robotique modulaire reconfigurable .
• "Projet Claytronics à l'Université Carnegie Mellon" . Recherche collaborative en matière programmable .
• "Groupe de robotique modulaire Université du Sud du Danemark" . Recherche sur la robotique modulaire et auto-reconfigurable . Archivé de l' original le 7 juillet 2009 . Consulté le 17 juin 2009 .
• "Laboratoire Fukuda" . Recherche sur la robotique modulaire et auto-reconfigurable et les micro-nano systèmes .
• "Laboratoire de Biorobotique" . Recherche sur la robotique modulaire et auto-reconfigurable, la robotique bio-inspirée, les systèmes dynamiques (ex. CPG), la robotique de rééducation .