Ingenieur bouwt multi-potige swarm-robots

Een onderzoeker aan de University of Notre Dame heeft multi-potige robots ontwikkeld die moeilijke omgevingen kunnen navigeren en complexe taken kunnen uitvoeren als een swarm.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Science Robotics.

Yasemin Ozkan-Aydin is een assistant professor in de elektrotechniek aan de universiteit. Zij is degene die de nieuwe robot heeft gecreëerd.

“Legged robots kunnen moeilijke omgevingen zoals ruw terrein en smalle ruimtes navigeren, en het gebruik van ledematen biedt effectieve lichaamsondersteuning, maakt snelle manoeuvreerbaarheid mogelijk en vergemakkelijkt het oversteken van obstakels,” zei Ozkan-Aydin. “Echter, legged robots hebben unieke mobiliteitsuitdagingen in terrestrische omgevingen, wat resulteert in een verminderde locomotorische prestatie.”

Verbetering van de mobiliteit

Ozkan-Aydin veronderstelde dat een fysieke verbinding tussen individuele robots de mobiliteit van een terrestrisch legged collectief systeem kan verbeteren. Door individuele robots fysiek met elkaar te verbinden om een multi-potig systeem te vormen, kunnen ze collectief beter obstakels overwinnen dan een enkele individuele robot die kleine taken uitvoert.

“Wanneer mieren objecten verzamelen of transporteren, en een van hen een obstakel tegenkomt, werkt de groep collectief samen om dat obstakel te overwinnen. Als er een gat in het pad is, bijvoorbeeld, zullen ze een brug vormen zodat de andere mieren eroverheen kunnen gaan — en dat is de inspiratie voor deze studie,” zei ze. “Door middel van robotica kunnen we een beter begrip krijgen van de dynamica en collectieve gedragingen van deze biologische systemen en onderzoeken hoe we deze technologie in de toekomst kunnen gebruiken.”

De robots bouwen

Ozkan-Aydin gebruikte een 3D-printer om de vierpotige robots te bouwen, die 15 tot 20 centimeter lang zijn. Elk robot bestaat uit een lithium-polymeerbatterij, een microcontroller en drie sensoren. Er is een lichtsensor aan de voorkant en twee magnetische aanraaksensoren aan de voorkant en achterkant, waardoor ze met elkaar kunnen verbinden.

Met de toevoeging van vier flexibele poten hebben de robots minder sensoren en onderdelen nodig, en het helpt hen om te interacteren met oneffen of ongelijkmatig terrein.

“Je hebt geen extra sensoren nodig om obstakels te detecteren, omdat de flexibiliteit in de poten de robot helpt om er recht langs te gaan,” zei Ozkan-Aydin. “Ze kunnen testen op gaten in een pad, een brug bouwen met hun lichamen; objecten individueel verplaatsen; of verbinden om objecten collectief te verplaatsen in verschillende soorten omgevingen, niet veel anders dan mieren.”

De robots werden getest op verschillende oppervlakken, zoals gras, mulch, bladeren en eiken. Proeven op vlakke grond omvatten spaanplaat en trappen met isolatiefoam, en andere tests omvatten shag-tapijt en rechthoekige houten blokken.

Als een individuele eenheid vast kwam te zitten, stuurde hij een signaal naar extra robots. Deze robots verbinden zich dan met elkaar om elkaar te ondersteunen bij obstakels terwijl ze samenwerken.

Volgens Ozkan-Aydin kan het nieuwe onderzoek helpen bij het ontwerp van goedkope legged swarms die zich kunnen aanpassen aan onvoorziene situaties en samenwerkende taken kunnen uitvoeren zoals zoek- en reddingsmissies, collectief objecttransport en ruimteverkenning. Zij zal zich nu richten op het verbeteren van de besturing, sensing en energiemogelijkheden van de systemen.

“Voor functionele swarm-systemen moet de batterijtechnologie worden verbeterd,” zei ze. “We hebben kleine batterijen nodig die meer vermogen kunnen leveren, ideaal meer dan 10 uur. Anders is het gebruik van dit type systeem in de echte wereld niet duurzaam.” Extra beperkingen zijn het nodig hebben van meer sensoren en krachtigere motoren — terwijl de grootte van de robots klein blijft.

“Je moet nadenken over hoe de robots zullen functioneren in de echte wereld, dus je moet nadenken over hoeveel vermogen nodig is, de grootte van de batterij die je gebruikt. Alles is beperkt, dus je moet beslissingen nemen over elk onderdeel van de machine.”