روبات مدولار خودپیکربند

تصویر: معماری شبکه‌ای: 12 ماژول از سیستم شبکه همگن Micro Unit مونتاژ شده همراه با شبکه مربوطه و شبکه نقاط اتصال نشان داده شده است.
 
سیستم‌های روباتیک خودپیکربند مدولار یا روبات‌های مدولار قابل خودپیکربندی، ماشین‌های حرکتی خودگردان با مورفولوژی یا ریخت شناسی متغیر هستند. فراتر از تحرک و فعال سازی مرسوم، یعنی حسگری و کنترل معمولی که معمولاً در روبات‌های مورفولوژی ثابت یافت می‌شود، روبات‌های خودتنظیم‌شونده یا خودپیکربند همچنین می‌توانند عمداً شکل خود را با تنظیم مجدد اتصالات قطعات خود تغییر دهند تا با شرایط جدید سازگار شوند، و وظایف جدید را انجام دهند یا خود را از آسیب بازیابی کنند.
 
برای مثال، روباتی که از چنین اجزایی ساخته شده است، می‌تواند شکلی کرم‌مانند به خود بگیرد تا از طریق لوله‌ای باریک حرکت کند، و دوباره به چیزی با پاهای عنکبوت‌مانند پیکربندی شود تا از زمین‌های ناهموار عبور کند، سپس جسم دلخواه سومی را تشکیل دهد (مانند یک توپ یا چرخ که می‌تواند دور محور خود بچرخد ) و به سرعت در یک زمین نسبتاً مسطح حرکت کند. همچنین می توان از آن برای ساخت اشیاء ثابت مانند دیوارها، پناهگاه ها یا ساختمان ها استفاده کرد.
 
در برخی موارد، هر ماژول دارای 2 یا چند کانکتور برای اتصال چندین قطعه به یکدیگر است. آنها می توانند شامل الکترونیک، حسگرها، پردازنده های کامپیوتری، حافظه و منابع تغذیه باشند. آنها همچنین می توانند محرک هایی داشته باشند که برای دستکاری مکان آنها در محیط و در ارتباط با یکدیگر استفاده می شوند. یکی از ویژگی‌هایی که در برخی موارد یافت می‌شود، توانایی ماژول‌ها برای اتصال و قطع خودکار خود به یکدیگر و از یکدیگر و تبدیل شدن به بسیاری از اشیاء یا انجام بسیاری از وظایف در حرکت یا دستکاری محیط است.
 
با گفتن "خود پیکربند" یا "قابل خودپیکربندی" منظور این است که مکانیسم یا دستگاه قادر است از سیستم کنترل خود مانند محرک ها یا وسایل تصادفی برای تغییر شکل کلی ساختار خود استفاده کند. داشتن کیفیت "مدولار" (یعنی دارای قسمتهای کوچک بودن) در "روباتیک مدولار خود پیکربند" به این معناست که همان ماژول یا مجموعه ای از ماژول ها را می توان به سیستم اضافه کرد یا از آن حذف کرد، که این در مقابل مفهوم وسیع تر مدولار کردن به طور کلی است. هدف اساسی این است که تعداد نامحدودی از ماژول‌های یکسان یا مجموعه‌ای محدود و نسبتاً کوچک از ماژول‌های یکسان در یک ساختار مش یا ماتریسی از ماژول‌های خودپیکربند داشته باشیم.
 
خود پیکربندی با مفهوم خود تکراری متفاوت است که کیفیتی نیست که یک ماژول خودپیکربند یا مجموعه ای از ماژول ها باید داشته باشد. یک ماتریس از ماژول‌ها نیازی به افزایش تعداد ماژول‌ها در ماتریس خود ندارد تا بتواند به عنوان قابل پیکربندی تلقی شود. برای ماژول های قابل پیکربندی کافی است که در یک کارخانه معمولی تولید شوند، جایی که ماشین‌های اختصاصی قطعاتی را کلیشه می‌زنند یا قالب می‌زنند که سپس در یک ماژول مونتاژ می‌شوند و به یک ماتریس موجود اضافه می‌شوند تا مقدار آن را افزایش دهند یا جایگزین ماژول های فرسوده شوند.
 
ماتریسی متشکل از تعداد بسیاری از ماژول‌ها می‌تواند از هم جدا شود تا ماتریس‌های متعددی با ماژول‌های کمتر تشکیل شود، یا می‌توانند برای تشکیل یک ماتریس بزرگ‌تر، ترکیب یا بازترکیب شوند. برخی از مزایای جداسازی به ماتریس‌های متعدد عبارتند از توانایی انجام وظایف چندگانه و ساده‌تر در مکان‌هایی که از یکدیگر دور هستند به طور همزمان، انتقال از میان موانع با دهانه‌هایی که برای یک ماتریس بزرگ‌تر خیلی کوچک هستند اما برای ماتریس کوچک‌تر خیلی کوچک نیستند، و این که در قطعات یا ماژول های منفرد، صرفه جویی در مصرف انرژی تنها با استفاده از ماژول های کافی برای انجام یک وظیفه معین صورت می گیرد. برخی از مزایای ترکیب چند ماتریس در یک ماتریس واحد عبارتند از توانایی تشکیل ساختارهای بزرگتر مانند یک پل دراز، ساختارهای پیچیده تر مانند یک روبات با بازوهای زیاد یا یک بازو با درجات آزادی بیشتر و افزایش قدرت افزایش استحکام، در این مفهوم، می تواند به این شکل ها باشد: افزایش سختی یک سازه ثابت یا ساکن، افزایش خالص یا مقدار تجمعی نیرو برای بالا بردن، پایین آوردن، هل دادن یا کشیدن یک جسم دیگر یا قسمت دیگری از ماتریس، یا هر ترکیبی از این ویژگی ها.
 
دو روش اساسی برای مفصل بندی قطعه وجود دارد که مکانیسم های قابل پیکربندی می توانند برای تغییر شکل ساختارهای خود از آنها استفاده کنند: پیکربندی زنجیره ای و پیکربندی شبکه‌ای.
 

ساختار و کنترل

روبات‌های مدولار معمولاً از بلوک‌های ساختمانی متعدد از یک مجموعه نسبتاً کوچک تشکیل شده‌اند، با رابط‌های اتصال یکنواخت که امکان انتقال نیروها و گشتاورهای مکانیکی، توان الکتریکی و ارتباطات را در سراسر روبات فراهم می‌کند.
 
بلوک‌های ساختمانی مدولار معمولاً از برخی واحدهای فعال سازه اولیه و واحدهای بالقوه تخصصی اضافی مانند گیره‌ها، پاها، چرخ‌ها، دوربین‌ها، بار و ذخیره‌سازی انرژی و تولید تشکیل می‌شوند.
 

یک طبقه بندی از معماری ها

سیستم های روباتیک خودپیکربند مدولار را می توان به طور کلی به چندین گروه معماری با آرایش هندسی واحدشان طبقه بندی کرد (شبکه یا زنجیره). سیستم‌های متعددی ویژگی‌های ترکیبی را نشان می‌دهند، و روبات‌های مدولار نیز به دو دسته تغییر پیکربندی سیار (MCC) (Mobile Configuration Change) و حرکت کل بدن (WBL) (Whole Body Locomotion) طبقه‌بندی شده‌اند.
 
* معماری شبکه دارای واحدهای خود است که رابط های اتصال خود را در نقاطی به سلول های بالقوه یک شبکه معمولی متصل می کنند. این شبکه از نقاط اتصال را می توان با اتم های یک کریستال و شبکه را با شبکه آن کریستال مقایسه کرد. بنابراین، ویژگی های سینماتیکی روبات های شبکه را می توان با گروه های جابجایی کریستالوگرافی متناظر آنها (گروه های فضای کایرال) مشخص کرد. معمولاً تعداد کمی از واحدها برای انجام یک مرحله پیکربندی مجدد کافی است. معماری‌های شبکه امکان طراحی مکانیکی ساده‌تر و نمایش محاسباتی ساده‌تر و برنامه‌ریزی پیکربندی مجدد را فراهم می‌کنند که می‌تواند به راحتی در سیستم‌های پیچیده مقیاس‌بندی شود.
 
* معماری زنجیره ای از شبکه بالقوه نقاط اتصال برای واحدهای خود استفاده نمی کند. واحدها می توانند به هر نقطه ای در فضا برسند و بنابراین تطبیق پذیرتر هستند، اما ممکن است زنجیره ای از واحدهای متعدد برای رسیدن به نقطه ای ضروری باشد که معمولاً انجام یک مرحله پیکربندی مجدد را دشوارتر می کند. نمایش و تحلیل چنین سیستم هایی از نظر محاسباتی دشوارتر است.
 
* معماری ترکیبی از هر دو معماری قبلی بهره می برد. کنترل و مکانیزم برای پیکربندی مجدد شبکه طراحی شده است، اما امکان دسترسی به هر نقطه در فضا را نیز فراهم می کند.
 
سیستم‌های روباتیک مدولار را همچنین می‌توان بر اساس روشی که واحدها مجدداً پیکربندی می‌شوند (انتقال) در محل طبقه‌بندی کرد.
 
* پیکربندی مجدد قطعی متکی بر حرکت واحدهایی است که در طول پیکربندی مجدد به طور مستقیم در مکان مورد نظر خود دستکاری می شوند. مکان دقیق هر واحد در هر زمان مشخص است. زمان پیکربندی مجدد را می توان تضمین کرد، اما کنترل بازخورد پیچیده برای اطمینان از دستکاری دقیق ضروری است. سیستم های مقیاس کلان معمولاً قطعی هستند.
 
* پیکربندی مجدد تصادفی متکی بر واحدهایی است که با استفاده از فرآیندهای آماری (مانند حرکت براونی) حرکت می کنند. مکان دقیق هر واحد تنها زمانی مشخص می شود که به ساختار اصلی متصل باشد، اما ممکن است مسیرهای ناشناخته ای برای حرکت بین مکان ها طی شود. زمان پیکربندی مجدد را می توان تنها از نظر آماری تضمین کرد. معماری های تصادفی در مقیاس های خرد مطلوب تر هستند.
 
سیستم های روباتیک مدولار همچنین به طور کلی بسته به طراحی ماژول ها طبقه بندی می شوند.
 
* سیستم‌های روبات مدولار همگن دارای ماژول‌های بسیاری با طراحی یکسان هستند که ساختاری مناسب برای انجام وظایف مورد نیاز را تشکیل می‌دهند. یک مزیت نسبت به سایر سیستم ها این است که مقیاس آنها از نظر اندازه (و احتمالاً عملکرد) با افزودن واحدهای بیشتر ساده است. یک نقطه ضعف که معمولاً توصیف می شود محدودیت های عملکرد است - این سیستم ها اغلب برای دستیابی به یک عملکرد معین به ماژول های بیشتری نسبت به سیستم های ناهمگن نیاز دارند.
 
* سیستم‌های روبات مدولار ناهمگن دارای ماژول‌های مختلفی هستند که هر کدام عملکردهایی تخصصی را انجام می‌دهند و ساختاری مناسب برای انجام یک کار را تشکیل می‌دهند. یک مزیت، جمع و جور بودن و تطبیق پذیری طراحی و افزودن واحدها برای انجام هر کاری است. یک نقطه ضعف که معمولاً توصیف می‌شود، افزایش پیچیدگی روش‌های طراحی، ساخت و شبیه‌سازی است.
   تصویر: نمایش مفهومی برای پیکربندی مجدد داخلی، بینی و تودرتو تحت طبقه‌بندی روبات‌های قابل پیکربندی.
 
سیستم‌های روباتیک مدولار دیگری وجود دارند که قابل پیکربندی مجدد نیستند، و بنابراین به طور رسمی به این خانواده از روبات‌ها تعلق ندارند، اگرچه ممکن است ظاهری مشابه داشته باشند. به عنوان مثال، سیستم های خود مونتاژ ممکن است از چندین ماژول تشکیل شده باشند اما نتوانند شکل هدف خود را به صورت پویا کنترل کنند. به طور مشابه، روباتیک تنسگریتی ممکن است از چندین ماژول قابل تعویض تشکیل شده باشد، اما نمی تواند خود پیکربندی مجدد شود. (تنسگریتی ویژگی مشخصه یک سازه سه بعدی پایدار است که متشکل است از اعضای تحت تنش که به هم پیوسته هستند و اعضای تحت تنش که به هم پیوسته نیستند.) سیستم‌های روباتیک قابل خودپیکربندی در مقایسه با همتایان با مورفولوژی (ریخت شناسی) ثابت، قابلیت پیکربندی مجدد را دارند و می‌توان آن را به‌عنوان میزان/درجه‌ای تعریف کرد که یک روبات یا سیستم‌های روباتیک قابل خودپیکربندی می‌توانند به پیکربندی معنادار دیگری با درجه خاصی از خودگردانی یا مداخله انسانی تبدیل و تکامل یابند. سیستم قابل خودپیکربندی مجدد را همچنین می توان با توجه به پیکربندی مجدد مکانیسم طبقه بندی کرد.
 
* قابلیت پیکربندی مجدد درونی برای روبات ها به عنوان سیستمی اطلاق می شود که یک موجودیت واحد است در حالی که توانایی تغییر مورفولوژی بدون مونتاژ/جداسازی را دارد.
 
* قابلیت پیکربندی مجدد بِینی به این صورت تعریف می شود که یک سیستم روباتیک تا چه حد می تواند مورفولوژی خود را از طریق مونتاژ یا جداسازی اجزا یا ماژول های خود تغییر دهد.
 
* قابلیت پیکربندی مجدد تودرتو برای سیستم روباتیک مجموعه ای از روبات های مدولار با ویژگی های پیکربندی مجدد فردی (قابلیت پیکربندی مجدد) است که با سایر ماژول های (دارای قابلیت پیکربندی مجدد بِینی) روبات همگن یا ناهمگن ترکیب می شود.
 

انگیزه و الهام

دو انگیزه کلیدی برای طراحی سیستم های روباتیک خودپیکربند مدولار وجود دارد.
 
* مزیت عملکردی: سیستم های روباتیک پیکربند به طور بالقوه قوی تر و سازگارتر از سیستم های معمولی هستند. قابلیت پیکربندی مجدد به یک روبات یا گروهی از روبات‌ها اجازه می‌دهد تا ماشین‌ها را جدا کرده و دوباره سرهم کنند تا مورفولوژی‌های جدیدی را شکل دهند که برای کارهای جدید مناسب‌تر هستند، مانند تغییر از روبات پادار به روبات مار و سپس به روبات غلتان. از آن جایی که قطعات روبات قابل تعویض هستند (چه در داخل یک روبات و یا بین روبات‌های مختلف)، ماشین‌ها همچنین می‌توانند قطعات معیوب را به طور مستقل جایگزین کنند و منجر به تعمیر خود شوند.
   
تصویر: روباتیک مدولار خودگردان در فضا
 
* مزیت اقتصادی: سیستم‌های روباتیک با پیکربندی مجدد خود به طور بالقوه می‌توانند هزینه کلی روبات را با ساخت طیف وسیعی از ماشین‌های پیچیده از یک نوع واحد (یا نسبتاً معدود) از ماژول‌های تولید انبوه کاهش دهند.
 
هر دوی این مزیت ها هنوز به طور کامل درک نشده اند. یک روبات مدولار احتمالاً از نظر عملکرد نسبت به هر روبات سفارشی که برای یک کار خاص طراحی شده است، دارای عملکرد پایین تری است. با این حال، مزیت روباتیک مدولار تنها زمانی آشکار می شود که وظایف متعددی را در نظر بگیرید که معمولاً به مجموعه ای از روبات های مختلف نیاز دارند.
 
درجات آزادی افزوده، روبات‌های مدولار را در قابلیت‌های بالقوه‌شان تطبیق‌پذیرتر می‌سازد، اما در عین حال دارای یک معاوضه عملکرد و افزایش پیچیدگی‌های مکانیکی و محاسباتی است.
 
تلاش برای ساختارهای روباتیک خودپیکربند تا حدی از برنامه های پیش بینی شده مانند مأموریت های فضایی طولانی مدت الهام گرفته شده است، که به بوم شناسی روباتیک خودپایدار طولانی مدت نیاز دارد که می تواند موقعیت های پیش بینی نشده را مدیریت کند و ممکن است نیاز به تعمیر خود داشته باشد. منبع دوم الهام، سیستم‌های بیولوژیکی هستند که از مجموعه نسبتاً کوچکی از بلوک‌های ساختمانی سطح پایین خود (سلول‌ها یا اسیدهای آمینه، بسته به مقیاس مورد علاقه‌) ساخته می‌شوند. این معماری زیربنای توانایی سیستم‌های بیولوژیکی برای سازگاری فیزیکی، رشد، بهبودی و حتی خود همانندسازی است - قابلیت‌هایی که در بسیاری از سیستم‌های مهندسی شده مطلوب است.
 

حوزه های کاربرد

با توجه به این مزایا، یک سیستم خودپیکربند مدولار در کجا مورد استفاده قرار می گیرد؟ در حالی که این سیستم نوید توانایی انجام کارهای مختلف را دارد، یافتن "برنامه کاربردی قاطع" برای آن تا حدودی فرّار بوده است. در اینجا چند نمونه آورده شده است:
 

اکتشافات فضایی

یکی از کاربردهایی که مزایای سیستم‌های خودپیکربند را برجسته می‌کند، مأموریت‌های فضایی طولانی‌مدت است. این موارد نیازمند بوم‌شناسی روباتیک خودپایدار طولانی‌مدت است که می‌تواند موقعیت‌های پیش‌بینی‌نشده را مدیریت کند و ممکن است نیاز به تعمیر خود داشته باشد. سیستم‌های خودپیکربند توانایی رسیدگی به وظایفی را دارند که از قبل مشخص نیستند، به ویژه در مقایسه با سیستم‌های پیکربندی ثابت. علاوه بر این، مأموریت‌های فضایی بسیار محدود به حجم و جرم هستند. ارسال یک سیستم روباتی که می‌تواند برای دستیابی به بسیاری از وظایف پیکربندی مجدد کند، ممکن است مؤثرتر از ارسال روبات‌هایی باشد که هر کدام می‌توانند یک کار مجزا را انجام دهند.
 

تله پاریو

نمونه دیگری از یک برنامه کاربردی توسط استادان CMU تاد مووری و ست گلدشتاین، "telepario"  لقب گرفته است. آن چه که محققان پیشنهاد می‌کنند، کپی‌های متحرک، فیزیکی و سه‌بعدی از افراد یا اشیاء هستند، به‌قدری واقعی که حواس انسانی آن‌ها را واقعی قبول می کند. این امر نیاز به تجهیزات دست و پا گیر واقعیت مجازی را از بین می برد و بر محدودیت های زاویه دید رویکردهای سه بعدی مدرن غلبه می کند. ماکت‌ها شکل و ظاهر یک فرد یا شیء را که به صورت بلادرنگ تصویر می‌شود تقلید می‌کنند و با جابجایی نسخه‌های اصلی، کپی‌های آن‌ها نیز تغییر می‌کنند. یکی از جنبه‌های این کاربرد این است که محور اصلی توسعه، نمایش هندسی است نه اعمال نیرو به محیط، مانند یک کار دستکاری روباتیک معمولی. این پروژه به طور گسترده به عنوان claytronics یا ماده قابل برنامه‌ریزی شناخته می‌شود (با توجه به این که ماده قابل برنامه‌ریزی یک اصطلاح کلی‌تر است و مواد قابل برنامه‌ریزی کاربردی را نیز در بر می‌گیرد.)
 

سطل چیزها

سومین چشم‌انداز بلندمدت برای این سیستم‌ها «سطل چیزها» نامیده می‌شود. در این چشم انداز، مصرف کنندگان آینده گنجانه یا جعبه ای از ماژول های قابل پیکربندی مجدد در گاراژ، زیرزمین یا اتاق زیر شیروانی خود دارند. هنگامی که نیاز ایجاب کند، مصرف کننده روبات ها را برای انجام کاری مانند "تمیز کردن ناودان ها" یا "تعویض روغن در ماشین" فرا می خواند و روبات شکل مورد نیاز را به خود می گیرد و کار را انجام می دهد.
 

سامبات (2010)

هدف  Sambotکه از حشرات اجتماعی، ارگانیسم‌های چند سلولی و روبات‌های مورفوژنتیک الهام گرفته شده است، توسعه روباتیک ازدحام و انجام تحقیقات در مورد هوش ازدحام، خودآرایی و تکامل مشترک بدن و مغز برای مورفوژن‌های مستقل است. سوای روبات ازدحام، روبات خودپیکربند و روبات مورفژنتیک، این تحقیق بر روی روبات‌های مدولار ازدحام خود مونتاژ می‌شود که به عنوان یک ماژول متحرک مستقل با دیگران تعامل می‌کنند و برای دستیابی به هوش ازدحام و همچنین بحث در مورد ساخت‌وساز مستقل در ایستگاه فضایی و ابزارهای اکتشافی و ساختارهای پیچیده مصنوعی تمرکز می‌کنند.
 
منبع: Flexibility Envelope