Articulo de referencia

Robot modular autorreconfigurable

Los sistemas robóticos modulares autorreconfigurables, o robots modulares autorreconfigurables, son máquinas cinemáticas autónomas con morfología variable. Más allá de la actuac...

Los sistemas robóticos modulares autorreconfigurables, o robots modulares autorreconfigurables, son máquinas cinemáticas autónomas con morfología variable. Más allá de la actuación, la detección y el control convencionales que suelen encontrarse en los robots de morfología fija, los robots autorreconfigurables también pueden cambiar deliberadamente su forma reorganizando la conectividad de sus partes para adaptarse a nuevas circunstancias, realizar nuevas tareas o recuperarse de daños.

Por ejemplo, un robot hecho con dichos componentes podría adoptar una forma similar a la de un gusano para moverse a través de una tubería estrecha, reensamblarse en algo con patas parecidas a las de una araña para cruzar terrenos irregulares, y luego formar un tercer objeto arbitrario (como una pelota o una rueda que pueda girar sobre sí misma) para moverse rápidamente sobre un terreno bastante plano; también se puede utilizar para construir objetos "fijos", como paredes, refugios o edificios.

En algunos casos, cada módulo cuenta con dos o más conectores para interconectar varios entre sí. Pueden contener componentes electrónicos , sensores , procesadores , memoria y fuentes de alimentación ; también pueden incluir actuadores para manipular su posición en el entorno y su relación entre sí. Una característica común es la capacidad de los módulos para conectarse y desconectarse automáticamente, así como para formar diversos objetos o realizar múltiples tareas, moviéndose o manipulándose en el entorno.

Al hablar de "autorreconfigurable", nos referimos a que el mecanismo o dispositivo es capaz de utilizar su propio sistema de control, como actuadores o mecanismos estocásticos , para modificar su forma estructural general. En el contexto de la robótica modular autorreconfigurable, la cualidad de ser "modular" implica que se puede añadir o eliminar un mismo módulo o conjunto de módulos del sistema, a diferencia de la "modularización" genérica en un sentido más amplio. La intención subyacente es contar con 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 autorreconfigurables.

La autorreconfiguración es diferente del concepto de autorreplicación , que no es una cualidad que deba poseer un módulo o conjunto de módulos autorreconfigurables. Una matriz de módulos no necesita poder aumentar la cantidad de módulos que contiene para ser considerada autorreconfigurable. Basta con que los módulos autorreconfigurables se produzcan en una fábrica convencional, donde máquinas especializadas estampan o moldean componentes que luego se ensamblan para formar un módulo, el cual se agrega a una matriz existente para complementarla, aumentar la cantidad o reemplazar módulos desgastados.

Una matriz compuesta por muchos módulos puede separarse para formar múltiples matrices con menos módulos, o bien, combinarse o recombinarse para formar una matriz más grande. Algunas ventajas de la separación en múltiples matrices incluyen la capacidad de abordar simultáneamente tareas múltiples y más sencillas en ubicaciones distantes entre sí, el paso a través de barreras con aberturas demasiado pequeñas para que quepa una sola matriz grande, pero no demasiado pequeñas para fragmentos de matriz más pequeños o módulos individuales, y el ahorro de energía al utilizar solo los módulos necesarios para realizar una tarea determinada. Algunas ventajas de combinar múltiples matrices en una sola son 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 el aumento de la resistencia. El aumento de la resistencia, en este sentido, puede manifestarse en el aumento de la rigidez de una estructura fija o estática, el aumento de la fuerza neta o colectiva para elevar, bajar, empujar o tirar de otro objeto u otra parte de la matriz, o cualquier combinación de estas características.

Existen dos métodos básicos de articulación de segmentos que los mecanismos autorreconfigurables pueden utilizar para remodelar sus estructuras: la reconfiguración en cadena y la reconfiguración en red.

Estructura y control

Los robots modulares suelen estar compuestos por múltiples bloques de construcción con 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 suelen constar de una unidad estructural principal accionada y, potencialmente, de unidades especializadas adicionales como pinzas, patas, ruedas, cámaras, carga útil y sistemas de almacenamiento y generación de energía.

Una taxonomía de arquitecturas

Los sistemas robóticos modulares autorreconfigurables se pueden clasificar generalmente en varios grupos arquitectónicos según la disposición geométrica de sus unidades (reticular o en cadena). Varios sistemas presentan propiedades híbridas, y los robots modulares también se han clasificado en dos categorías: Cambio de Configuración Móvil (MCC) y Locomoción de Cuerpo Completo (WBL). [ 1 ]

Arquitectura reticular: 12 módulos del sistema reticular homogéneo Micro Unit ensamblados, mostrados con la cuadrícula correspondiente y la red de puntos de acoplamiento.
  • La arquitectura reticular tiene sus unidades conectando sus interfaces de acoplamiento en puntos dentro de celdas virtuales de una cuadrícula regular. Esta red de puntos de acoplamiento puede compararse con los átomos en un cristal y la cuadrícula con la red de ese cristal. Por lo tanto, las características cinemáticas de los robots reticulares pueden caracterizarse por sus grupos de desplazamiento cristalográfico correspondientes ( grupos espaciales quirales ). [ 2 ] Por lo general, unas pocas unidades son suficientes para realizar un paso de reconfiguración. Las arquitecturas reticulares permiten un diseño mecánico más simple y una representación computacional y planificación de reconfiguración más simples que pueden escalarse más fácilmente a sistemas complejos.
  • La arquitectura en cadena no utiliza una red virtual de puntos de acoplamiento para sus unidades. Estas unidades pueden alcanzar cualquier punto del espacio, lo que les confiere mayor versatilidad. Sin embargo, para llegar a un punto determinado puede ser necesaria una cadena de muchas unidades, lo que suele dificultar la reconfiguración. Además, estos sistemas son computacionalmente más complejos de representar y analizar.
  • La arquitectura híbrida aprovecha las ventajas de las arquitecturas anteriores. El control y el mecanismo están diseñados para la reconfiguración de la red, pero también permiten alcanzar cualquier punto del espacio.

Los sistemas robóticos modulares también pueden clasificarse según la forma en que las unidades se reconfiguran (se mueven) para colocarlas en su lugar.

  • La reconfiguración determinista se basa en el movimiento o la manipulación directa de las unidades hasta su ubicación objetivo durante el proceso. La ubicación exacta de cada unidad se conoce en todo momento. Si bien se pueden garantizar los tiempos de reconfiguración, se requiere un control de retroalimentación sofisticado para asegurar una manipulación precisa. Los sistemas a macroescala suelen ser deterministas.
  • La reconfiguración estocástica se basa en el movimiento de las unidades mediante procesos estadísticos (como el movimiento browniano). La ubicación exacta de cada unidad solo se conoce cuando está conectada a la estructura principal, pero puede seguir trayectorias desconocidas para desplazarse entre ubicaciones. Los tiempos de reconfiguración solo pueden garantizarse estadísticamente. Las arquitecturas estocásticas son más favorables a microescala.

Los sistemas robóticos modulares también se clasifican generalmente en función del diseño de sus módulos.

  • Los sistemas robóticos modulares homogéneos constan de numerosos módulos del mismo diseño que forman una estructura adecuada para realizar la tarea requerida. Una ventaja sobre otros sistemas es su facilidad para aumentar su tamaño (y posiblemente su funcionalidad) mediante la adición de más unidades. Una desventaja común son las limitaciones en su funcionalidad: estos sistemas suelen requerir más módulos para lograr una función determinada que los sistemas heterogéneos.
  • Los sistemas robóticos modulares heterogéneos constan de diferentes módulos, cada uno con funciones especializadas, conformando una estructura adecuada para realizar una tarea. Una ventaja es su compacidad y la versatilidad para diseñar y añadir unidades que permitan realizar cualquier tarea. Una desventaja común es el aumento de la complejidad en los métodos de diseño, fabricación y simulación.
    Representación conceptual para la reconfiguración intra, inter y anidada bajo la taxonomía de robots reconfigurables

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

  • La reconfigurabilidad interna para robots se refiere a un sistema que es una entidad única pero que tiene la capacidad de cambiar de morfología sin necesidad de ensamblaje o desensamblaje.
  • La reconfigurabilidad interna se define como el grado en que un sistema robótico puede cambiar su morfología mediante el ensamblaje o desensamblaje de sus componentes o módulos.
  • La reconfigurabilidad anidada para sistemas robóticos consiste en un conjunto de robots modulares con características de reconfiguración individuales (reconfigurabilidad intra-rotacional) que se combinan con otros módulos robóticos homogéneos o heterogéneos (reconfigurabilidad inter-rotacional).

Motivación e inspiración

Existen dos motivaciones clave para el diseño de sistemas robóticos modulares autorreconfigurables.

  • Ventaja funcional : Los sistemas robóticos auto-reconfigurables son potencialmente más robustos y adaptables que los sistemas convencionales. La capacidad de reconfiguración permite que un robot o un grupo de robots desmonte y vuelva a montar máquinas para formar nuevas morfologías más adecuadas para nuevas tareas, como pasar de un robot con patas a un robot serpiente ( snakebot ) y luego a un robot rodante. Dado que las piezas del robot son intercambiables (tanto dentro de un mismo robot como entre diferentes robots), las máquinas también pueden reemplazar piezas defectuosas de forma autónoma, lo que permite la autorreparación.
Robótica modular autónoma en el espacio
  • Ventaja económica : Los sistemas robóticos auto-reconfigurables pueden reducir potencialmente el coste total de los robots al crear una gama de máquinas complejas a partir de un solo tipo (o relativamente pocos) de módulos producidos en masa.

Ninguna de estas ventajas se ha aprovechado por completo. Es probable que un robot modular tenga un rendimiento inferior al de un robot personalizado diseñado para una tarea específica. Sin embargo, la ventaja de la robótica modular solo se hace evidente al considerar múltiples tareas que normalmente requerirían un conjunto de robots diferentes.

Los grados de libertad adicionales hacen que los robots modulares sean más versátiles en sus capacidades potenciales, pero también conllevan una desventaja en el rendimiento y una mayor complejidad mecánica y computacional.

La búsqueda de estructuras robóticas autorreconfigurables se inspira, en cierta medida, en aplicaciones como las misiones espaciales de larga duración, que requieren una ecología robótica autosostenible capaz de afrontar situaciones imprevistas y que puede necesitar autorreparación. Otra fuente de inspiración son los sistemas biológicos, que se autoconstruyen a partir de un repertorio relativamente pequeño de componentes básicos (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 deseables en muchos sistemas de ingeniería.

Áreas de aplicación

Si bien el sistema promete ser capaz de realizar una amplia variedad de tareas, encontrar la " aplicación estrella " ha resultado algo difícil. Aquí presentamos algunos ejemplos:

Exploración espacial

Una aplicación que pone de manifiesto las ventajas de los sistemas autorreconfigurables son las misiones espaciales de larga duración. [ 4 ] Estas requieren un ecosistema robótico autosostenible a largo plazo capaz de gestionar situaciones imprevistas y que puede requerir autorreparación. Los sistemas autorreconfigurables tienen la capacidad de realizar tareas desconocidas de antemano, especialmente en comparación con los sistemas de configuración fija. Además, las misiones espaciales están sujetas a importantes limitaciones de volumen y masa. Enviar un sistema robótico que pueda reconfigurarse para realizar múltiples tareas puede resultar más eficaz que enviar muchos robots, cada uno de los cuales puede realizar una sola tarea.

Telepario

Otro ejemplo de aplicación, denominado "telepario" por los profesores de la CMU Todd Mowry y Seth Goldstein, consiste en crear réplicas físicas tridimensionales y móviles de personas u objetos, tan realistas que los sentidos humanos las percibirían 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 apariencia de la persona u objeto que se visualiza en tiempo real, y a medida que los originales se mueven, también lo harán sus réplicas. Un aspecto de esta aplicación es que el principal enfoque de desarrollo es la representación geométrica, en lugar de aplicar fuerzas al entorno como en una tarea típica de manipulación robótica. Este proyecto se conoce como claytrónica [ 5 ] o materia programable (cabe destacar que materia programable es un término mucho más general que abarca también materiales funcionales programables).

Cubo de cosas

Una tercera visión a largo plazo para estos sistemas se ha denominado "cubo de cosas", que consistiría en un contenedor lleno de robots modulares que pueden aceptar comandos del usuario y adoptar una forma apropiada para completar las tareas domésticas. [ 6 ] [ 7 ]

Historia y estado del arte

Los orígenes del concepto de robots modulares autorreconfigurables se remontan a los efectores finales de "cambio rápido" y los cambiadores automáticos de herramientas de los centros de mecanizado de control numérico computarizado de la década de 1970. En estos centros, se podían intercambiar automáticamente módulos especiales, cada uno con un mecanismo de conexión común, 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 finales de la década de 1980.

A principios de la década de 1990 , Gregory S. Chirikjian , Mark Yim, Joseph Michael y Satoshi Murata impulsaron nuevos avances . Chirikjian, Michael y Murata desarrollaron sistemas de reconfiguración reticular, mientras que Yim desarrolló un sistema basado en cadenas. Si bien estos investigadores comenzaron con un enfoque en ingeniería mecánica, diseñando y construyendo módulos para luego desarrollar el código necesario para programarlos, el trabajo de Daniela Rus y Wei-min Shen, centrado en el desarrollo de hardware, tuvo un mayor impacto en la programación. Iniciaron una tendencia hacia algoritmos distribuidos, verificables o demostrables, para el control de grandes cantidades de módulos.

Una de las plataformas de hardware más interesantes de los últimos tiempos ha sido el sistema MTRAN II y III, desarrollado por Satoshi Murata y colaboradores. Este sistema es un híbrido entre cadena y retícula. Tiene la ventaja de poder realizar tareas con mayor facilidad, como los sistemas de cadena, y a la vez reconfigurarse como un sistema de retícula.

Más recientemente, Hod Lipson y Eric Klavins han impulsado nuevos esfuerzos en el campo del autoensamblaje estocástico . Un importante proyecto en la Universidad Carnegie Mellon, liderado por Seth Goldstein y Todd Mowry, ha comenzado a analizar los problemas relacionados con el desarrollo de millones de módulos.

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

Cada vez son más los grupos de investigación que participan activamente en la investigación de la robótica modular. Hasta la fecha, se han diseñado y construido alrededor de 30 sistemas, algunos de los cuales se muestran a continuación.

Algunos sistemas actuales

Robot modular autorreconfigurable Polybot G3
PolyBot G3 (2002)

Un sistema de reconfiguración automática en cadena. Cada módulo mide aproximadamente 50  mm por lado y tiene 1 grado de libertad de rotación. Forma parte de la familia de robots modulares PolyBot, que ha demostrado numerosos modos de locomoción, incluyendo caminar: bípedo, de 14 patas, tipo muelle, tipo serpiente: acordeón en una madriguera de ardilla, marchas de oruga, ondulación rectilínea y marchas sinuosas, rodar como una banda de rodadura a hasta 1,4  m/s, montar en triciclo, trepar: escaleras, postes, tuberías, rampas, etc. Puede encontrar más información en la página web de PolyBot en PARC. [ 16 ]

Metamorfosis mediante un robot autorreconfigurable, M-TRAN III
M-TRAN III (2005)

Sistema híbrido autorreconfigurable. Cada módulo tiene el tamaño de dos cubos (65  mm de lado) y cuenta con 2 grados de libertad de rotación y 6 superficies planas para la conexión. Se trata del tercer prototipo M-TRAN. En comparación con el anterior (M-TRAN II), la velocidad y la fiabilidad de la conexión han mejorado notablemente. Como sistema de tipo cadena, el M-TRAN II ha demostrado la locomoción mediante un controlador CPG (Generador Central de Patrones) en diversas formas. Como sistema de tipo reticular, puede cambiar su configuración, por ejemplo, de un robot de cuatro patas a un robot oruga. Consulte la página web del M-TRAN en AIST. [ 17 ]

AMOEBA-I (2005)

AMOEBA-I, un robot móvil reconfigurable de tres módulos, fue desarrollado en el Instituto de Automatización de Shenyang (SIA), de la Academia China de Ciencias (CAS), por Liu JG et al.AMOEBA-I posee 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 diversas investigaciones sobre su mecanismo de reconfiguración, configuraciones no isomórficas, estabilidad antivuelco y planificación de la reconfiguración. Los experimentos han demostrado que este tipo de estructura permite una buena movilidad y alta flexibilidad en terrenos irregulares. Al ser hiperredundante, modular y reconfigurable, AMOEBA-I tiene muchas aplicaciones posibles, como búsqueda y rescate urbano (USAR) y exploración espacial. Ref_1: ver; Ref_2: ver

Estocástico-3D (2005)

Se puede lograr una alta resolución espacial para la formación de formas tridimensionales arbitrarias con robots modulares utilizando un sistema reticular con gran cantidad de módulos muy pequeños, potencialmente microscópicos. A pequeña escala 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 prohibitivo el uso de la actuación e interconexión electromagnética, así como el uso de almacenamiento de energía a bordo.

Se construyeron tres prototipos a gran escala para demostrar la reconfiguración estocástica tridimensional programable dinámicamente 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 empleó un mecanismo de reconfiguración e interconexión fluida estocástica. Sus  módulos cúbicos de 130 mm pesaban 1,78  kg cada uno, lo que hacía que los experimentos de reconfiguración fueran excesivamente lentos. La tercera implementación actual hereda el principio de reconfiguración fluida. El tamaño de la cuadrícula es de 80  mm y los experimentos de reconfiguración están en curso. [ 18 ]

Moléculas en movimiento

Moléculas (2005)

Este sistema híbrido autorreconfigurable 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  aristas de 100 mm de longitud 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 otro de cuatro módulos. [ 19 ] También se demostró que, sin tener en cuenta las restricciones de gravedad, se puede construir un número infinito de metaestructuras en cadena autorreplicantes a partir de Molecubes. Puede encontrar más información en la página de autorreplicación del Laboratorio de Máquinas Creativas .

Las piezas programables (2005)

Las piezas programables se agitan aleatoriamente sobre una mesa de air hockey mediante chorros de aire accionados al azar. Cuando chocan y se adhieren, pueden comunicarse y decidir si permanecen adheridas o si se separan y cuándo. Se pueden diseñar y optimizar reglas de interacción locales para guiar a los robots y crear cualquier forma global deseada. Para más información, visite la página web de piezas programables .

SuperBot (2006)

Los módulos SuperBot se integran en la arquitectura híbrida. Cada módulo cuenta con tres grados de libertad. Su diseño se basa en dos sistemas previos: Conro (desarrollado por el mismo grupo de investigación) y MTRAN (desarrollado por Murata et al.). Cada módulo puede conectarse a otro mediante uno de sus seis conectores de acoplamiento. A través de estos conectores, pueden comunicarse y compartir energía. Se han desarrollado diversos patrones de locomoción para diferentes configuraciones de módulos. Para la comunicación de alto nivel, los módulos utilizan un control basado en hormonas, un protocolo distribuido y escalable que no requiere identificadores únicos.

Miche (2006)

El sistema Miche es un sistema reticular modular capaz de formar figuras arbitrarias. Cada módulo es un robot autónomo que puede conectarse y comunicarse con sus vecinos inmediatos. Al ensamblarse, los módulos forman un sistema que puede ser modelado virtualmente mediante una interfaz informática y un proceso distribuido. El grupo de módulos decide colectivamente qué módulos forman parte de la figura final y cuáles no, utilizando algoritmos que minimizan la transmisión y el almacenamiento de información. Finalmente, los módulos que no forman parte de la estructura se desprenden y caen bajo la acción de una fuerza externa, en este caso la gravedad. Para más detalles, consulte Miche (Rus et al.).

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

El conjunto de vuelo distribuido (2009)

El Distributed Flight Array es un robot modular compuesto por unidades de un solo rotor con forma hexagonal que pueden adoptar prácticamente cualquier forma. Si bien cada unidad es capaz de generar el empuje suficiente para elevarse del suelo, por sí sola es incapaz de volar, al igual que un helicóptero no puede volar sin su rotor de cola. Sin embargo, al unirse, estas unidades se transforman en un sofisticado sistema multirrotor capaz de realizar vuelos coordinados y mucho más. Para obtener más información, visite DFA. [ 20 ]

Roombots (2009)

Los Roombots [ 21 ] tienen una arquitectura híbrida. Cada módulo posee tres grados de libertad: dos de ellos utilizan el eje diametral dentro de un cubo regular, y un tercer eje (central) de rotación conecta las dos partes esféricas. Los tres ejes son rotatorios de forma continua. El grado de libertad externo de los Roombots utiliza la misma orientación de ejes que los Molecubes, mientras que el tercer eje central permite que el módulo rote sus dos grados de libertad externos entre sí. Esta novedosa característica permite que un solo módulo Roombots se desplace sobre terreno plano, trepe paredes o cruce bordes cóncavos y perpendiculares. Los bordes convexos requieren el ensamblaje de al menos dos módulos para formar un "Metamódulo" Roombots. Cada módulo dispone de diez ranuras de conexión, dos de las cuales están equipadas con un mecanismo de conexión activa basado en pestillos mecánicos. Los Roombots están diseñados para dos tareas: dar forma a objetos cotidianos, como muebles, y desplazarse, por ejemplo, como un robot cuadrúpedo o trípode compuesto por varios módulos. Para más información, visite la página web de Roombots. [ 22 ]

Sambot (2010)

Inspirándose en insectos sociales, organismos multicelulares y robots morfogenéticos, el objetivo del Sambot [ 23 ] es desarrollar robótica de enjambre e investigar la inteligencia de enjambre , el autoensamblaje y la coevolución del cuerpo y el cerebro para lograr la morfogénesis autónoma. A diferencia de los robots de enjambre, los robots autorreconfigurables y los robots morfogenéticos, la investigación se centra en robots modulares de enjambre autoensamblables que interactúan y se acoplan como un módulo móvil autónomo con otros para lograr la inteligencia de enjambre y, además, analizar la construcción autónoma en estaciones espaciales, herramientas de exploración y estructuras artificiales complejas. Cada robot Sambot puede funcionar como un individuo autónomo sobre ruedas y, además, mediante la combinación de sensores y un mecanismo de acoplamiento, puede interactuar y acoplarse con el entorno y otros robots. Gracias a la ventaja del movimiento y la conexión, los enjambres de Sambot pueden agregarse en un organismo simbiótico o completo y generar locomoción como robots articulados biónicos. En este caso, se dispone de funciones e investigaciones de autoensamblaje, autoorganización, autorreconfiguración y autorreparación, tanto en el diseño como en la aplicación. Dentro del robot modular, cuyas dimensiones son 80 (ancho) x 80 (largo) x 102 (alto) mm, se integran módulos de MCU (ARM y AVR), comunicación (Zigbee), sensores, alimentación, IMU y posicionamiento. Para más información, consulte "Robots modulares de enjambre con autoensamblaje". [ 24 ]

Moteína
Moteins (2011)

Está matemáticamente demostrado que las cuerdas o cadenas físicas de formas simples pueden plegarse para formar cualquier área continua o forma volumétrica. Los moteines emplean estrategias de plegado universales, 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. [ 25 ]

Symbrion (2013)

Symbrion (Organismos Robóticos 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 miniatura interdependientes pudiera ensamblarse en un organismo robótico más grande para impulsar la resolución de problemas. Uno de los aspectos clave de Symbrion se inspira en el mundo biológico: un genoma artificial que permite almacenar y evolucionar configuraciones subóptimas para aumentar la velocidad de adaptación. Gran parte del desarrollo de Symbrion es de código abierto y hardware abierto. [ 26 ]

Motor espacial (2018)

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

Cada módulo cuenta con al menos tres o más mecanismos de bloqueo que permiten acoplar o desacoplar automáticamente los módulos adyacentes para formar estructuras rígidas. Los módulos se desplazan linealmente hacia adelante o hacia atrás en los planos espaciales X, Y o Z, generando su propio impulso mediante la variación de presión controlada que se crea entre uno o más de sus módulos adyacentes.

Utiliza presiones magnéticas para atraer y/o repeler sus módulos inmediatos. Mientras que el módulo propulsor usa sus electroimanes para empujar o tirar hacia adelante a lo largo de la vía creada por los módulos estáticos, estos últimos empujan o tiran de los módulos propulsores. Aumentar el número de módulos para el desplazamiento también incrementa el momento total o las fuerzas de empuje/tracción. El número de electroimanes en cada módulo puede variar según los requisitos del diseño.

Los módulos situados en el exterior de las matrices no pueden desplazarse de forma independiente, debido a la falta de una o más caras de reacción de los módulos inmediatos. Se mueven al unirse a módulos en el interior de las matrices, que forman una vía completa para su desplazamiento.

Mori3 (2023)

Mori3 [ 15 ] (Robot de Origami Modular) es un robot pionero con capacidad de cambiar de forma desarrollado por el Laboratorio de Robótica Reconfigurable (RRL).en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne , Suiza, bajo la dirección del Prof. Jamie Paik . Aprovecha una novedosa arquitectura física de mallado poligonal en la que módulos triangulares autónomos se conectan, reconfiguran y comunican para formar diversas estructuras articuladas tridimensionales. Cada módulo es capaz de moverse por sí mismo, tomar decisiones locales y realizar operaciones de acoplamiento; juntos, pueden transitar entre distintas morfologías (por ejemplo, de una forma de "piernas" para gatear a un manipulador similar a un brazo) para adaptarse a diferentes tareas. El sistema se demostró como prueba de concepto en el artículo de Nature Machine Intelligence "Flexibilidad morfológica en sistemas robóticos mediante mallado poligonal físico" [ 15 ], donde los autores muestran cómo los módulos se reconfiguran conjuntamente para moverse, agarrar, transportar objetos e interactuar con los usuarios. Una de las principales motivaciones de Mori3 es ofrecer una plataforma robótica compacta y versátil para aplicaciones espaciales , especialmente donde el volumen y la masa de la carga útil son limitados: puede almacenarse en módulos individuales y ensamblarse in situ para realizar comunicaciones, reparaciones externas u otras funciones de apoyo en entornos extraterrestres. Si bien aún se encuentra en sus primeras etapas, el diseño busca ampliar los límites de la morfología generalista en robótica, aunque los autores señalan que un sistema de propósito general podría no igualar el rendimiento de los robots especializados en tareas específicas.

Logro cuantitativo

  • El robot con más módulos activos tiene 56 unidades <polybot centipede, PARC>.
  • La unidad modular accionada más pequeña tiene un tamaño de 12  mm [ 27 ].
  • La unidad modular accionada más grande (por volumen) tiene un tamaño de 8 m³ <(GHFC)catomes gigantes llenos de helio, CMU>
  • Los módulos de actuación más potentes son capaces de levantar 5 unidades idénticas en voladizo horizontal.<PolyBot g1v5, PARC>
  • El robot modular más rápido puede moverse a 23 unidades de tamaño por segundo.<CKbot, rodamiento dinámico, ISER'06>
  • El sistema simulado más grande contenía cientos de miles de unidades. [ 28 ] [ 29 ]

Desafíos, soluciones y oportunidades

Desde las primeras demostraciones de sistemas modulares autorreconfigurables, el tamaño, la robustez y el rendimiento han mejorado continuamente. Paralelamente, los algoritmos de planificación y control han evolucionado hasta gestionar miles de unidades. Sin embargo, existen varios pasos clave necesarios para que estos sistemas cumplan su promesa de adaptabilidad, robustez y bajo coste . 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 suelen estar interrelacionados.

Desafíos del diseño de hardware

El grado en que se puede materializar la promesa de los sistemas robóticos autorreconfigurables depende fundamentalmente del número de módulos del sistema. Hasta la fecha, solo se han demostrado sistemas con hasta aproximadamente 50 unidades, cifra que se ha mantenido estancada durante casi una década. Existen varios factores limitantes fundamentales que determinan este número:

  • Limitaciones en la resistencia, precisión y robustez en campo (tanto mecánica como eléctrica) de las interfaces de unión/acoplamiento entre módulos.
  • Limitaciones 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 y software. Hardware diseñado para simplificar la resolución de problemas de software. Los sistemas autorreconfigurables presentan una mayor integración entre hardware y software que cualquier otro sistema existente.

Desafíos de planificación y control

Si bien se han desarrollado algoritmos para gestionar miles de unidades en condiciones ideales, persisten los desafíos en materia de escalabilidad, tanto en el control de bajo nivel como en la planificación de alto nivel, para superar las limitaciones realistas:

  • Algoritmos para el movimiento paralelo en la manipulación y locomoción a gran escala.
  • Algoritmos para gestionar de forma robusta diversos modos de fallo, desde desalineaciones y unidades inactivas (que no responden ni liberan energía) hasta unidades que se comportan de forma 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 múltiples unidades.

Desafíos de la aplicación

Aunque las ventajas de los sistemas robóticos modulares autorreconfigurables son ampliamente reconocidas, ha sido difícil identificar dominios de aplicación específicos donde se puedan demostrar los 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 para personas desplazadas en casos de desastre.
  • Refugios para zonas empobrecidas que requieren poca experiencia práctica para su montaje.

Grandes desafíos

Diversos campos de la robótica han identificado Grandes Desafíos que actúan como catalizadores del desarrollo y sirven como objetivo a corto plazo ante la ausencia de aplicaciones revolucionarias inmediatas . El Gran Desafío no constituye en sí mismo una agenda de investigación ni un hito, sino un medio para estimular y evaluar el progreso coordinado en múltiples fronteras técnicas. Se han propuesto varios Grandes Desafíos para el campo de la robótica modular autorreconfigurable:

  • Demostración de un sistema con más de 1000 unidades . La demostración física de dicho sistema requerirá inevitablemente replantear aspectos clave del hardware y los algoritmos, así como gestionar el ruido y los errores.
  • Robosphere . Un ecosistema robótico autosostenible, aislado durante un largo período de tiempo (1 año), que necesita mantener su funcionamiento y realizar tareas imprevistas sin presencia humana.
  • Autorreplicación Un sistema con muchas unidades capaces de autorreplicarse mediante la recolección de bloques de construcción dispersos requerirá resolver muchos de los desafíos de hardware y algorítmicos.
  • Ultimate Construction: Un sistema capaz de crear objetos a partir de los componentes de, por ejemplo, una pared.
  • Analogía del biofiltro Si el sistema se llegara a fabricar lo suficientemente pequeño como para inyectarlo en un mamífero, una de sus tareas podría ser monitorizar las moléculas en el torrente sanguíneo y permitir el paso de algunas y el de otras, de forma similar a la barrera hematoencefálica . Como desafío, se puede establecer una analogía en la que el sistema debe ser capaz de:
    • debe insertarse en un orificio del diámetro de un módulo.
    • recorrer una distancia determinada en un canal que tenga un área aproximada de 40 x 40 diámetros de módulo.
    • formar una barrera que se ajuste completamente al canal (cuya forma es irregular y desconocida de antemano).
    • permitir que algunos objetos pasen y otros no (sin basarse en el tamaño).
    • Dado que la detección no es el objetivo principal de este trabajo, la identificación de los objetos transitables debería ser una tarea sencilla.

transductores inductivos

Una solución potencial única que se puede aprovechar es el uso de inductores como transductores. Esto podría ser útil para resolver problemas de acoplamiento y unión. Al mismo tiempo, también podría ser beneficioso por sus capacidades de detección de acoplamiento (alineación y cálculo de distancia), transmisión de energía y comunicación (de señales de datos). Puede verse un vídeo de prueba de concepto aquí . La exploración bastante limitada en esta línea probablemente se deba a la falta histórica de necesidad de este enfoque en aplicaciones prácticas.

Grupos de Google

La tecnología modular y de autorreconfiguración es un grupo para debatir la percepción y la comprensión del campo en desarrollo de la robótica.

El Grupo de Google de Robótica Modular es un foro público abierto dedicado a la difusión de eventos en el campo de la robótica modular. Este medio se utiliza para anunciar convocatorias a talleres, números especiales y otras actividades académicas de interés para los investigadores en robótica modular. Los fundadores de este grupo de Google pretenden facilitar el intercambio de información e ideas dentro de la comunidad de investigadores en robótica modular de todo el mundo y, de este modo, impulsar los avances en este campo. Cualquier persona interesada en los objetivos y el progreso de la robótica modular puede unirse a este grupo de Google y conocer las últimas novedades en este ámbito.

Sitios web dedicados específicamente a explorar esta tecnología.

  • "Envolvente de flexibilidad" . Robótica modular auto-reconfigurable y el futuro creado .
  • "Tecnología modular auto-reconfigurable" . Colección de sitios web, páginas web, videoclips, artículos y documentos .

Véase también

Lecturas adicionales

  • «Robots autorreconfigurables: Una introducción» . Excelente introducción a la situación actual de los SRCMR, su evolución y sus perspectivas de futuro . Archivado del original el 5 de agosto de 2011. Consultado el 13 de julio de 2011 .
  • Murata, Satoshi; Kurokawa, Haruhisa (2012). Robots autoorganizados . Springer Tracts in Advanced Robotics. Vol.  77. doi : 10.1007/978-4-431-54055-7 . ISBN 978-4-431-54054-0.{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )

Referencias

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  • Robot autorreconfigurable: Los robots celulares con capacidad de cambiar de forma pueden superar la flexibilidad de los robots convencionales, por Murata y Kurokawa, publicado en la revista IEEE Robotics & Automation en marzo de 2007.
  • Técnica de selección de configuración central para el robot modular reconfigurable. Por Liu JG, Wang YC, et al., publicado en Science in China Series F: Information Sciences 2007.
  • Fundamentos de la Robótica Modular Autorreconfigurable (SRCMR): Introducción a los fundamentos de la SRCMR y algunas de sus profundas consecuencias. Por Per Sjöborg, 2009.
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