Vierbeinige Schwarmroboter durchqueren schwieriges Gelände – gemeinsam

In den frühen Tagen der Quarantäne nutzte die Notre-Dame-Professorin und Robotik-Ingenieurin Yasemin Ozkan-Aydin die Zeit zu Hause, um Roboter zusammenzubauen.

Ozkan-Aydin entwickelte kooperative Beinsysteme, die sich über komplexes Gelände manövrieren – als Team.

Um sich auf unwegsamem Gelände und auf engstem Raum fortzubewegen, schlug Ozkan-Aydin vor, dass eine physische Verbindung zwischen Robotern die Mobilität verbessern könnte. Wenn beispielsweise ein einzelner Roboter ein Objekt nicht alleine bewegen könnte, warum sollten die Roboter dann nicht ein größeres, mehrbeiniges System bilden, um die Aufgabe zu erledigen?

Das ist es schließlich, was Ameisen tun.

„Wenn Ameisen beim Sammeln oder Transportieren von Gegenständen auf ein Hindernis stoßen, arbeitet die Gruppe gemeinsam daran, dieses Hindernis zu überwinden. Wenn es zum Beispiel eine Lücke im Weg gibt, bilden sie eine Brücke, über die die anderen Ameisen hinübergehen können – und das ist die Inspiration für diese Studie“, sagte Ozkan-Aydin in einer kürzlich veröffentlichten Pressemitteilung . „Durch die Robotik können wir die Dynamik und das kollektive Verhalten dieser biologischen Systeme besser verstehen und untersuchen, wie wir diese Art von Technologie in Zukunft nutzen können.“

Mit einem 3D-Drucker baute Ozkan-Aydin vierbeinige Roboter mit einer Länge von 15 bis 20 Zentimetern.

Jeder Roboter enthielt eine Lithium-Polymer-Batterie, einen Mikrocontroller und drei Sensoren. Zusammen mit einem Lichtsensor ermöglichen zwei magnetische Berührungssensoren an der Vorder- und Rückseite jedes Roboters die Verbindung der Systeme.

Vier flexible Beine reduzierten den Bedarf an zusätzlichen Sensoren und Teilen und gaben den Robotern ein Maß an mechanischer Intelligenz, was bei der Interaktion mit unwegsamem oder unebenem Gelände hilfreich war.

„Sie brauchen keine zusätzlichen Sensoren, um Hindernisse zu erkennen, da die Flexibilität der Beine dem Roboter hilft, sich direkt an ihnen vorbei zu bewegen“, sagte Ozkan-Aydin. „Sie können nach Lücken in einem Weg suchen und mit ihren Körpern eine Brücke bauen; Objekte einzeln verschieben; oder sich verbinden, um Objekte gemeinsam in verschiedenen Arten von Umgebungen zu bewegen, nicht unähnlich Ameisen.“

Ozkan-Aydin begann ihre Recherchen für die Studie Anfang 2020, als ein Großteil des Landes wegen der COVID-19-Pandemie geschlossen wurde. Nach dem Drucken jedes Roboters testete Ozkan-Aydin die von Insekten inspirierten Systeme in ihrem Garten oder auf dem Spielplatz mit ihrem Sohn.

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Der Notre-Dame-Professor führte Experimente auf einer Vielzahl von Terrains durch, sowohl natürlichen als auch künstlichen. Die Roboter manövrierten durch und um Gras, Mulch, Blätter und Eicheln, sowie Schaumstofftreppen, Hochflorteppiche und das unwegsame Gelände aus rechteckigen Holzblöcken, die auf Spanplatten geklebt wurden.

Wenn eine einzelne Einheit feststeckt, sendet sie ein Licht an weitere Roboter, um eine Bitte um Hilfe anzuzeigen. Sobald sie das Licht wahrnehmen, verbinden sich die Hilfsroboter und unterstützen sie – ein Schubs beim gemeinsamen Gehen – um Hindernisse erfolgreich zu überwinden, während sie gemeinsam arbeiten.

„Nachdem der Hilfsroboter den Suchroboter gefunden hat, indem er dem Lichtgradienten folgt, wird er von hinten und den Berührungssensoren an beiden Robotern daran befestigt und informiert den Roboter über den Verbindungsstatus“, sagte Prof. Ozkan-Aydin gegenüber Tech-Briefs .

Das Forschungsteam hat seine Ergebnisse kürzlich in Science Robotics veröffentlicht .

Anstehende Forschungsarbeiten werden sich auf die Verbesserung der Steuerungs-, Erfassungs- und Stromversorgungsfähigkeiten des Systems konzentrieren.

In einem kurzen Q&A mit Tech Briefs Unten erklärt Ozkan-Aydin, was Schwärme tun können, sobald diese Funktionen erweitert sind.

Technische Informationen :Wie funktionieren die magnetischen Berührungssensoren – was machen sie, wie werden sie gesteuert?

Yasemin Özkan-Aydin :Jeder Roboter hat zwei magnetische Anschlüsse, darunter zwei Neodym-Seltenerd-Magnete mit N-S-Polarität, an der Vorder- und Rückseite des Roboters. Der Magnetstecker auf der Rückseite ist am Schwanz befestigt und seine Polarität kann umgekehrt werden (S-N), indem der Schwanz nach oben bewegt wird. Wenn also der Schwanz oben ist, können sich zwei Roboter miteinander verbinden und wenn der Schwanz unten ist, können sie sich lösen.

Technische Informationen : Wenn ein „Hilfe“-Signal an einen Roboter gesendet wird, woher weiß der Hilfsroboter, was zu tun ist und welche Maßnahmen zu ergreifen sind?

Yasemin Özkan-Aydin :Das Hilfesignal – das Einschalten des hellen LED-Lichts auf der Rückseite des Roboters – wird an die Hilfsroboter gesendet, wenn der Suchroboter auf Treppen oder unebenem Gelände stecken bleibt. Der festgefahrene [Status] wird durch die vom Suchroboter gemessene Lichtintensität erkannt. Wenn der Roboter stecken bleibt, kann er sich nicht auf das Ziel (Lichtquelle) zubewegen und die Lichtintensität ändert sich nicht. Die Helferroboter warten immer auf das Signal des Suchroboters.

Natürlich gibt es Einschränkungen in unserem System. Wenn beispielsweise ein Hilfsroboter außerhalb des Strahls eines Suchroboters fällt, kann der Hilfsroboter ihn nicht finden. Im zukünftigen Design sollte die Kommunikation zwischen Robotern durch andere Arten von Sensoren wie GPS verbessert werden. Mit zunehmender Komplexität des Systems werden die Roboter jedoch immer schwieriger zu steuern. Dabei spielt mechanische Intelligenz eine wichtige Rolle.

Technische Informationen :Was bedeutet hier „mechanische Intelligenz“? Wie genau interagieren sie? Was passiert, wenn ein Roboter an einem Hindernis hängen bleibt? Wie wird ein Signal an weitere Roboter gesendet?

Yasemin Özkan-Aydin :Mechanische Intelligenz bedeutet, dass ein Mechanismus auf die Umgebung reagiert, sich an neue externe Situationen anpasst oder automatisch einige Funktionen ohne sensorisches Feedback oder Anleitung durch einen Controller ausführt. Jeder Roboter hat vier richtungsflexible Beine und einen Schwanz. Wenn das Bein oder der Schwanz auf ein Hindernis trifft, biegt es sich nach hinten und überquert die Hindernisse. Nach dem Passieren des Hindernisses zieht eine Rückholfeder das Bein in seine ursprüngliche Position. Dieses passive Biegen vergrößert auch die Kontaktfläche, wodurch ein einzelnes Bein oder der Schwanz mit einer Änderung der Geländeunebenheit umgehen kann, den Bodenkontakt während der Standphase verliert oder während der Luftphase auf ein Hindernis tritt oder trifft.

Alle Roboter haben zwei Schalter wie Berührungssensoren, um den Verbindungszustand zu erkennen:einen an der Vorder- und einen an der Rückseite des Roboters. Wenn zwei Roboter verbunden sind, berührt der am Heck angebrachte kuppelförmige Schieber sowohl die Sensoren am Heck des vorderen Roboters als auch am Kopf des hinteren Roboters. Obwohl es zwischen den Robotern keine High-Level-Kommunikation (z. B. drahtloses Senden von GPS-Koordinaten) gibt, ermöglichen die Berührungssensoren jedem Roboter zu wissen, ob er mit den anderen Robotern verbunden ist. Abgesehen von den Berührungssensoren befindet sich an der Vorderseite jedes Roboters ein Lichtsensor oder Fototransistor. Dieser Sensor wird verwendet, um die Lichtintensität der Umgebung zu messen und eine lokale Kommunikation zwischen Robotern bereitzustellen.

Technische Informationen :Könnten Sie ein oder zwei der praktischen Anwendungen aus der realen Welt erweitern – was könnte der Schwarm erreichen und wie?

Yasemin Özkan-Aydin :Ein Schwarm von Robotern mit Beinen kann reale kooperative Aufgaben wie Such- und Rettungsaktionen, landwirtschaftliche Anwendungen (wie Pflanzen und Ernten, Umweltüberwachung und Ernteinspektion usw.), kollektiven Objekttransport und Weltraumforschung ausführen.

Technische Informationen :Könnten Sie sich hinsichtlich ihrer Stromversorgung eine Art Energiegewinnung vorstellen, beispielsweise basierend auf der Bewegung?

Yasemin Özkan-Aydin :Dies ist ein sehr wichtiger Punkt, der im zukünftigen Design verbessert werden muss. Vielleicht kann ein Energiegewinnungsmechanismus (wie piezoelektrische Materialien) an den Beinen der Roboter angebracht werden, und sie können beim Gehen Energie gewinnen, oder jeder Roboter kann ein Solarpanel haben, um seine Batterien aufzuladen. Eine weitere Option besteht darin, dass nur einer der Roboter mit einem Energiegewinnungsmechanismus ausgestattet werden kann, um die Gesamtkosten zu senken, und die Leistung an die anderen Roboter übertragen kann.

Technische Informationen :Was hat diese Bemühungen inspiriert, insbesondere natürliche Modelle?

Yasemin Özkan-Aydin :Diese Studie ist inspiriert von mehrbeinigen Tieren wie Hundertfüßern oder Tausendfüßlern, die sich mit flexiblen Körpern und Gliedmaßen effektiv in verschiedenen Terrains bewegen können, und von Ameisenkollektiven, die sich selbst organisieren und Strukturen wie Brücken schaffen können, um Probleme zu lösen.

Technische Informationen :Wie möchten Sie die Roboter verbessern?

Yasemin Özkan-Aydin :Derzeit sind die Roboter durch eine begrenzte Kommunikationsreichweite eingeschränkt. Mit einer verbesserten Kommunikation zwischen den Individuen erwarten wir, dass die Einheiten (Vierbeiner) im Schwarm sich richtig koordinieren und ihre Gangarten entsprechend den Umgebungsbedingungen oder Aufgaben, die sie ausführen, ändern können. Darüber hinaus können die Abmessungen der Roboter entsprechend der auszuführenden Aufgaben skaliert werden.

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