Четвероногие роевые роботы вместе путешествуют по труднопроходимой местности

В первые дни карантина профессор Нотр-Дама и инженер-робототехник Ясемин Озкан-Айдин использовала время дома, чтобы собрать роботов.

Озкан-Айдын разработал системы для совместной работы на ногах, которые могут маневрировать на сложной местности в команде.

Чтобы передвигаться по пересеченной местности и в ограниченном пространстве, Озкан-Айдин предположил, что физическая связь между роботами может повысить мобильность. Если отдельный робот, например, не может передвигать объект самостоятельно, почему бы роботам не сформировать более крупную многоногую систему для выполнения задачи?

В конце концов, именно это и делают муравьи.

«Когда муравьи собирают или перевозят предметы, если кто-то сталкивается с препятствием, группа работает сообща, чтобы преодолеть это препятствие. Например, если на пути есть брешь, они образуют мост, по которому другие муравьи могут пройти — и это послужило источником вдохновения для данного исследования», — сказал Озкан-Айдин в недавнем пресс-релизе . «Благодаря робототехнике мы можем лучше понять динамику и коллективное поведение этих биологических систем и изучить, как мы могли бы использовать такие технологии в будущем».

С помощью 3D-принтера Озкан-Айдын создал четвероногих роботов длиной от 15 до 20 сантиметров.

Каждый робот включал литий-полимерный аккумулятор, микроконтроллер и три датчика. Наряду с датчиком освещенности два магнитных сенсорных датчика спереди и сзади каждого робота позволяют системам подключаться друг к другу.

Четыре гибкие ноги уменьшили потребность в дополнительных датчиках и деталях и придали роботам уровень механического интеллекта, который помогал при взаимодействии с пересеченной или неровной местностью.

«Вам не нужны дополнительные датчики для обнаружения препятствий, потому что гибкость ног помогает роботу двигаться прямо мимо них», — сказал Озкан-Айдын. «Они могут проверять наличие пробелов на пути, строя мост своими телами; перемещать объекты по отдельности; или подключаться для коллективного перемещения объектов в разных типах среды, не отличающихся от муравьев».

Озкан-Айдын начала свои исследования в начале 2020 года, когда большая часть страны была закрыта из-за пандемии COVID-19. Напечатав каждого робота, Озкан-Айдын протестировала системы, вдохновленные насекомыми, у себя во дворе или на игровой площадке со своим сыном.

Больше роботов 'Рой' в технических бюллетенях

Узнайте, как НАСА помогает дронам работать в команде.

Смотрите передачу BOBbots на канале Tech Briefs TV.

Узнайте, как человеческий мозг может управлять роем роботов.

Профессор Нотр-Дама проводил эксперименты на самых разных ландшафтах, как естественных, так и искусственных. Роботы маневрировали между травой, мульчей, листьями и желудями, а также пенопластовыми лестницами, ворсистыми коврами и пересеченной местностью из прямоугольных деревянных блоков, приклеенных к ДСП.

Когда отдельный блок застревает, он посылает свет дополнительным роботам, чтобы показать запрос о помощи. Почувствовав свет, роботы-помощники подключаются и обеспечивают поддержку — толчок, когда они идут вместе, — чтобы успешно преодолевать препятствия, работая вместе.

«После того, как робот-помощник находит поискового робота, следуя градиенту света, он прикрепляется к нему сзади и с помощью сенсорных датчиков на обоих роботах и ​​информирует робота о состоянии соединения», — сказал профессор Озкан-Айдын. Технические обзоры .

Исследовательская группа недавно опубликовала свои результаты в журнале Science Robotics. .

Предстоящие исследования будут сосредоточены на улучшении возможностей управления, обнаружения и питания системы.

В коротких вопросах и ответах с Tech Briefs ниже Озкан-Айдын объясняет, что могут делать рои, когда эти функции расширены.

Технические обзоры :Как работают магнитные сенсорные датчики — что они делают, как ими управляют?

Ясемин Озкан-Айдын :каждый робот имеет два магнитных разъема, которые включают два неодимовых редкоземельных магнита с полярностью север-юг, спереди и сзади робота. Магнитный разъем сзади прикреплен к хвосту, и его полярность можно изменить (S-N), подняв хвост. Таким образом, когда хвост поднят, два робота могут соединиться друг с другом, а когда хвост опущен, они могут отсоединиться.

Технические обзоры : Когда роботу отправляется сигнал «помощь», как робот-помощник узнает, что делать и какие действия предпринять?

Ясемин Озкан-Айдын :Сигнал помощи — включение яркого светодиода на задней части робота — отправляется роботам-помощникам, когда робот-поисковик застревает на лестнице или пересеченной местности. Застрявший [статус] определяется по интенсивности света, измеренной поисковым роботом. Когда робот застревает, он не может двигаться к цели (источнику света), и интенсивность света не меняется. Роботы-помощники всегда ждут сигнала от поискового робота.

Конечно, в нашей системе есть ограничения. Например, если робот-помощник попадает за пределы луча поискового робота, робот-помощник не может его найти. В будущем коммуникация между роботами должна быть улучшена с использованием других типов датчиков, таких как GPS. Однако по мере увеличения сложности системы управлять роботами становится все труднее. Здесь важную роль играет механический интеллект.

Технические обзоры :Что здесь означает «механический интеллект»? Как именно они взаимодействуют? Что произойдет, если один робот зацепится за препятствие? Как сигнал отправляется дополнительным роботам?

Ясемин Озкан-Айдын :Механический интеллект означает, что механизм реагирует на окружающую среду, адаптируется к новым внешним ситуациям или автоматически выполняет некоторые функции без какой-либо сенсорной обратной связи или руководства со стороны контроллера. Каждый робот имеет четыре гибкие в направлении ноги и хвост. Когда нога или хвост наталкиваются на препятствие, они изгибаются назад и пересекают препятствия. После прохождения препятствия возвратная пружина возвращает ногу в исходное положение. Этот пассивный изгиб также увеличивает площадь контакта, что позволяет отдельной ноге или хвосту справляться с изменением неровностей местности, потерей контакта с землей во время фазы опоры или наступлением или ударом о препятствие во время фазы полета.

Все роботы имеют два переключателя, похожих на сенсорные датчики, для определения состояния подключения:один спереди и один сзади робота. Когда два робота соединены, куполообразный толкатель, прикрепленный к хвосту, касается обоих датчиков в хвосте переднего робота и в голове заднего робота. Хотя между роботами нет высокоуровневой связи (например, беспроводной отправки GPS-координат), сенсорные датчики позволяют каждому роботу узнать, подключен ли он к другим роботам. Помимо датчиков касания, в передней нижней части каждого робота есть датчик освещенности или фототранзистор. Этот датчик используется для измерения освещенности окружающей среды и обеспечения локальной связи между роботами.

Технические обзоры :Не могли бы вы расширить одно или два практических приложения из реального мира — что может сделать рой и как?

Ясемин Озкан-Айдын :рой роботов на ногах может выполнять совместные задачи в реальном мире, такие как поисково-спасательные операции, сельскохозяйственные приложения (например, посадка и сбор урожая, мониторинг окружающей среды и осмотр урожая и т. д.), коллективная транспортировка объектов и исследование космоса.

Технические обзоры :Что касается их питания, не могли бы вы представить себе какой-то сбор энергии, скажем, на основе движения?

Ясемин Озкан-Айдын :Это очень важный момент, который необходимо улучшить в будущем дизайне. Возможно, к ногам роботов можно прикрепить механизм сбора энергии (например, пьезоэлектрические материалы), и они смогут собирать энергию во время ходьбы, или у каждого робота может быть солнечная панель для зарядки аккумуляторов. Другой вариант заключается в том, что только один из роботов может быть оснащен механизмом сбора энергии, чтобы снизить общую стоимость, и он может передавать энергию другим роботам.

Технические обзоры :Что вдохновило на это усилие, особенно натуральные модели?

Ясемин Озкан-Айдын :Это исследование вдохновлено многоногими животными, такими как сороконожки или многоножки, которые могут эффективно передвигаться по разнообразной местности с гибкими телами и конечностями, а также коллективами муравьев, которые могут самоорганизовываться и создавать структуры, такие как мосты, для решения проблем.

Технические обзоры :Как вы хотите улучшить роботов?

Ясемин Озкан-Айдын :В настоящее время роботы ограничены дальностью связи. Мы ожидаем, что с улучшением связи между особями единицы (четвероногие) в стае смогут должным образом координировать свои действия и изменять свою походку в зависимости от условий окружающей среды или задач, которые они выполняют. Кроме того, размеры роботов можно масштабировать в соответствии с выполняемыми задачами.

Что вы думаете? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.