【導(dǎo)讀】K.Støya,?,.Shenb,.Willb. plexity.

　　

【正文】 94. [23] M. Yim, . Duff, . Roufas, Polybot: a modular reconfigurable robot, in: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’00), San Francisco, CA, 2020, pp. 514520. 中文譯文 一個簡單的方法來控制運(yùn)動中的自重構(gòu)機(jī)器人 K. St248。y a,?, . Shen b, . Will b 摘要 在本文中，我們提出了基于角色的控制，這是一般的自下而上的方法，在自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動控制。我們使用基于角色的控制，實(shí)施毛蟲，響尾蛇，并滾動軌道中的 CONRO 8 個模塊組成的自我重構(gòu)機(jī)器人步態(tài)。我們的實(shí)驗(yàn)和討論的基礎(chǔ)上，我們 CON 包括控制系統(tǒng)，基于角色的控制的基礎(chǔ)是最小的，健壯的通信錯誤，和強(qiáng)大的偵察配置。 關(guān)鍵詞：自重構(gòu)機(jī)器人 。步態(tài) ?；诮巧目?制 介紹 可重構(gòu)機(jī)器人是由一個獨(dú)立的模塊連接在一起，形成一個機(jī)器人的 POS大量的機(jī)器人。如果重新配置機(jī)器人內(nèi)置的模塊可以連接和斷開，無需人工干預(yù)，機(jī)器人是自重構(gòu)機(jī)器人。參考圖 1的自重構(gòu)機(jī)器人的模塊或參考其他物理實(shí)現(xiàn)描述的系統(tǒng)之一 [7,8,1015,17,21,231]。 幾個潛在的自重構(gòu)機(jī)器人，比傳統(tǒng)文學(xué)上指出的更有優(yōu)點(diǎn)。 ?多功能性。模塊可以在相同的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠執(zhí)行各種任務(wù)的不同方式相結(jié)合。 ?適應(yīng)性。雖然自重構(gòu)機(jī)器人執(zhí)行其任務(wù)，它可以改變其物理形狀以適應(yīng)環(huán)境的變化。 ?健壯性。自重構(gòu)機(jī)器人 由許多相同的模塊，因此，如果一個模塊發(fā)生故障，它可以被另一個取代。 ?廉價生產(chǎn)。當(dāng)已獲得最終設(shè)計(jì)為基本模塊，它可以產(chǎn)生的質(zhì)量。因此，單個模塊的成本可以保持比較低的，盡管它的復(fù)雜性。 自重構(gòu)機(jī)器人，可以解決傳統(tǒng)機(jī)器人相同的任務(wù)，但圖 [23]機(jī)器人表明任務(wù)和環(huán)境先驗(yàn)往往是便宜，以建立一個專用機(jī)器人的應(yīng)用程序。因此，最適合自重構(gòu)機(jī)器人的應(yīng)用程序都可以從自重構(gòu)機(jī)器人的特殊能力取得一些杠桿的應(yīng)用。這些多功能機(jī)器人讓他們在合適的情況下，機(jī)器人必須處理的任務(wù)范圍。該機(jī)器人還可以處理未知或動態(tài)的環(huán)境中使用的任務(wù)，因?yàn)?他們能夠適應(yīng)這些 ENVI 環(huán)境。在其中魯棒性的重要性的任務(wù)，它可能是最好使用自重構(gòu)機(jī)器人。自重構(gòu)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，即使仍然可以看到，大量的應(yīng)用程序已經(jīng)設(shè)想 [17,23]：地震發(fā)生后，消防，搜尋和救援的戰(zhàn)場，行星探測，海底采礦，空間結(jié)構(gòu)建設(shè)。其他可能的應(yīng)用包括娛樂和服務(wù)機(jī)器人。 如果在硬件和軟件方面的一些挑戰(zhàn)可以得到滿足，可實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)機(jī)器人的潛力。在這項(xiàng)工作中，我們專注于軟件的挑戰(zhàn)之一：我們?nèi)绾问勾罅康倪B接模塊執(zhí)行協(xié)調(diào) dinated 的全局行為？具體來說，我們解決了如何設(shè)計(jì)，這將使自重構(gòu)機(jī)器人有可能 loote 有效的算法。為了一個運(yùn)動算法是有用的，它具有維護(hù)這些機(jī)器人的特殊性質(zhì)。從上述的優(yōu)勢和應(yīng)用，我們可以提取了這種控制算法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該算法應(yīng)該是分布式的，以避免單一故障點(diǎn)。算法的性能也應(yīng)該擴(kuò)展模塊的數(shù)量增加。它具有強(qiáng)勁的重新配置，重新配置，因?yàn)槭?TAL的自重構(gòu)機(jī)器人的基本能力。最后，這是可取的，有均勻的軟件運(yùn)行在所有的模塊，因?yàn)樗梢允谷魏文K接管另一個失敗。 它是一個開放的問題，如果一個自上而下或自下而上的方法提供了最好的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，這是很難邪教組織在全球范圍內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，再后來嘗試在地方一級執(zhí)行，因?yàn)?經(jīng)常硬件的屬性被忽略，一個緩慢的機(jī)器人系統(tǒng)，可能的結(jié)果。因此，我們使用一種自下而上的方法，其中單個模塊是設(shè)計(jì)的基本單元。也就是說，我們從全球設(shè)計(jì)的角度來看，從下往上的一個重要的設(shè)計(jì)元素是單個模塊和與鄰國的互動。然后，該系統(tǒng)的全球行為出現(xiàn)從當(dāng)?shù)馗鱾€模塊之間的互動。 SIM 卡類似的方法也可用于由博季諾夫等 [1,2]和巴特勒等人 [4]。 相關(guān)工作 相關(guān)工作在這里提出，我們集中的自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動控制算法。 Yim 等 [22,23]表明毛蟲般的局部運(yùn)動和一個滾動的軌道。步態(tài)控制表的基礎(chǔ)上，他們的系統(tǒng)控制。 本表中的每一列代表一個模塊執(zhí)行的動作。鉬然后獲得主同步從一行到下一過渡。這種方法的問題是，需要主機(jī)和模塊之間的通信量將限制它的可擴(kuò)展性。另一個問題是需要一個中央控制器，因?yàn)樗o出了系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。如果沒有掌握它建議模塊可以假定時間同步，每個模塊可以執(zhí)行其行動開環(huán)列。然而，由于所有的模塊都是自治的，它是一個可疑的假設(shè)，假設(shè)所有的模塊，并能保持同步。為了使用的步態(tài)控制表，每個模塊需要知道哪些列執(zhí)行。這意味著該模塊需要的 ID。此外，如果組態(tài)中變更或模塊數(shù)量改變表被改寫。 Shen 等 [17]提出使用人工激素， 同步模塊，以實(shí)現(xiàn)全球一致的運(yùn)動。在系統(tǒng)的早期版本 1 性激素傳播通過自重構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步。激素，在以后的工作也落后傳播同步之前，一個新的行動啟動 [16,18]的所有模塊。這種同步需要時間為 O（ n），其中 n 為模塊的數(shù)目。這會減慢系統(tǒng)很大，因?yàn)樗忻總€動作之前完成。此外，整個系統(tǒng)停止工作，如果失去一種激素。這是一個重大的問題，因?yàn)榧に乜梢院苋菀讈G失，由于不可靠的通信，可以一個模塊斷開響應(yīng)之前，或一個模塊失敗。事實(shí)上，該系統(tǒng)有 n 個故障點(diǎn)，這是不可取的。 早期版本的比較好，在這個意義上說，但仍表現(xiàn)仍然很低，因?yàn)槊總€動作之前發(fā)送一個同步激素。 巴特勒等人 [4]提出啟發(fā) CELlular 的自動方法。在他們的做法模塊鄰居模塊狀態(tài)的變化作出反應(yīng)。他們的做法是一種自下而上的方法，涉及到我們，但在細(xì)胞自動機(jī)有沒有，只有時間序列的概念。時機(jī)是在運(yùn)動的重要，因?yàn)樗巧a(chǎn)順利和生活類的運(yùn)動，避免干運(yùn)動的關(guān)鍵。 在我們所有的系統(tǒng)模塊反復(fù)關(guān)節(jié)的角度，描述了一個議案通過循環(huán)序列。這個序列可能來自步態(tài)控制表列，但在我們實(shí)施的關(guān)節(jié)角度計(jì)算使用一個循環(huán)周期T功能。通過子連接器 的每一個模塊已經(jīng)完成了指定的分?jǐn)?shù) 240。期間消息的時間發(fā)送。如果信號接收子模塊復(fù)位的動作序列，使得它推遲 240。相比父。這樣的單個模塊的行動是從同步機(jī)制，更快和更可靠的 SYSTEM 脫鉤。此外，也沒有必要進(jìn)行修改，如果模塊數(shù)量變化的算法。 基于角色的控制 我們假設(shè)模塊相連，形成一個樹狀結(jié)構(gòu)，指定一個父連接器，此連接器是唯一一個可以連接到其他模塊的孩子接頭。此外，我們假設(shè)該模塊可以與它們所連接的模塊進(jìn)行通信。 該算法實(shí)例指定三部分組成。第一部分是一個循環(huán)的動作序列（ T），其中 t∈ [0： T]。 T 是第二個組成部 分，需要指定的行動序列的 PE 周期。 （ T）描述的交流，每個模塊重復(fù)循環(huán)周期后。在我們實(shí)施 A（ T）返回關(guān)節(jié)角度控制自由的 CONRO 模塊的兩個學(xué)位，但動作序列，也可以用于觸發(fā)在不同的時間在一個周期的不同不同的行為。第三部分是延遲 d。這種延遲指定的延遲他們的父母相比，孩子們的行動序列期間的一小部分。骨架的算法如下： t=0 while(true) { if(t=d)then signal child modules if parent signals then t=0 perform action A(t) t=(t+1) modulus T } 模塊一再忽略了兩個循環(huán)的第一線，經(jīng)過一個循環(huán)計(jì)數(shù)器 ?參數(shù) eterized 的行動序列。這部分的算法僅可以使一個單一的模塊，反復(fù)執(zhí)行指定的動作序列。為了協(xié)調(diào)行動的各個模塊的生產(chǎn)需要同步的模塊所需的全局行為。因此，在步驟T = DA 信號通過所有的子連接器發(fā)送。如果一個孩子收到一個信號，它知道，父母是在 T = D，并有設(shè)置自身的一步計(jì)數(shù)器 t = 0 時。這強(qiáng)制孩子被延遲 D相比其母公司。 從時間的模塊連接，它需要時間比例同步為所有模塊組態(tài)中的樹的高度 d次。到最初避免不協(xié)調(diào)模塊的問題，我們要確保不啟動模塊移動，直到他們收到的第一個同步信號。啟動階段后的模塊使用唯一不變的時間保持同步。 實(shí)驗(yàn)裝置 來評價我們的算法中，我們進(jìn)行了幾個前實(shí)驗(yàn)使用的 CONRO（配置機(jī)器人），其中之一是在圖模塊。 1。 CONRO 模塊已在南加州大學(xué) / ISI[5,9]。模塊的大致形狀為矩形框測量確保 10厘米 厘米 厘米，重達(dá) 100克。該模塊在一端有一個母接頭和位于其他三個子接頭連接。每個連接有一個紅外線發(fā)射器和接收器，用于本地通信和遙感。該模塊有兩個可控的自由程度：螺 距（上下）和偏航（邊到邊）。處理板載 BASIC STAMP2 處理器的照顧。模塊有內(nèi)建電池，但這些沒有提供足夠的電力，為這里的實(shí)驗(yàn)報告，并有脫穎而出的模塊通過電纜供電。參閱更多的細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)的視頻 報道。 實(shí)驗(yàn) 在本節(jié)中，我們描述了使用基于角色的控制實(shí)現(xiàn)三種不同的機(jī)車，步態(tài)。對于每個步態(tài)，我們選擇了我們的節(jié)目長度作為控制算法的復(fù)雜性措施的報告。這些結(jié)果被用來支持我們的主張，所實(shí)施的控制系統(tǒng)是最小的。我們還報告的運(yùn)動模式的速度，但是這應(yīng)該只能算是一個例子，原因是， 在我們的系統(tǒng)的限制因素是如何強(qiáng)大的模塊物理，電機(jī)多么強(qiáng)大，多少力量，我們可以拉從電源。報告的最高時速是沒有意義之前，我們對電池運(yùn)行自主機(jī)器人。 卡特彼勒運(yùn)動 我們連接鏈中的我們的模塊，指定對面的是總接口。然后，我們執(zhí)行以下參數(shù)描述上面并的算法。 俯仰和偏航測量坐標(biāo)系統(tǒng)，偏航和間距零均值，關(guān)節(jié)都直。我們的模塊電機(jī)控制所需的角度盡可能快的聯(lián)合去。這意味著路點(diǎn)必須指定為避免生澀的議案。周期T可以用來控制方式點(diǎn)的數(shù)量的議案，因此，平滑度和速度。動作順序是圍繞 0?，50?的俯仰角和偏航關(guān)節(jié)保持 平直幅度的振蕩。每個模塊其父相比，延遲一段時間的五分之一。模塊連接后，他們同步， nize 正弦波沿著旅行機(jī)器人的長度參考圖。 2。這將產(chǎn)生類似毛毛蟲在 4 厘米 /秒的速度運(yùn)動。請注意，很容易調(diào)整這項(xiàng)議案的參數(shù)。例如，波的長度可控制使用的裁員。程序很簡單。主循環(huán)包含13行代碼不包括注釋和標(biāo)簽（如圖 2）。包括初始化變量和常量聲明為 18行代碼。 不像響尾蛇步態(tài)和毛毛蟲步態(tài)控制器，這種控制器只適用于 8個模塊，由于物理約束。它有可能使麥的間距（ T）和 DA MOD 模塊的功能更一般的解決方案。領(lǐng)導(dǎo)回路中的模塊數(shù)量可能得到包 括在信號的跳數(shù)。 處理一般配置 我們看到在上一節(jié)，我們不得不在引入 ID 來找到配置中包含循環(huán)的一個獨(dú)特的領(lǐng)導(dǎo)者。的 ID 機(jī)制引入聯(lián)合國，幸運(yùn)的是廢墟的機(jī)會，利用同步 nization算法自動找到在樹結(jié)構(gòu)中的領(lǐng)導(dǎo)者，因?yàn)橥叫盘栔荒芟蛳聜鞑ヅ渲脴渲小Ｊ聦?shí)上，循環(huán)算法將無法在這種情況下，除非模塊具有最高的 ID，也正好是根。為了使同步 chronization 信號傳播樹中向上和向下的一般算法。 討論 算法控制的自重構(gòu)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中的一個重要的問題是算法仍然應(yīng)該在許多模塊組成的系統(tǒng)的有效。基于角色的控制僅僅是初步 的模塊數(shù)量而定，因?yàn)樗腸ides 多久同步信號的信號需要通過系統(tǒng)傳播。這個啟動階段后，它需要保持恒定的時間 MOD ULES 花樣暗示，該算法的尺度。 在基于角色的控制模塊運(yùn)行相同的親克，有沒有配置中的一個模塊寶位置的代表。因此，該系統(tǒng)是非常強(qiáng)勁的重新配置。事實(shí)上，在 caterpil 可以分為兩個和兩個部分仍然有效。如果他們都在以不同的順序重新連接，他們將很快同步再次作為一個毛毛蟲的行為。這也意味著，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的模塊故障。如果一個模塊出現(xiàn)故障，它可以檢測此模塊可以從系統(tǒng)中彈出和重新連接可以時，繼續(xù)執(zhí)行剩 余的模塊。最后，如果一個同步信號丟失，這是不系統(tǒng)的生存至關(guān)重要。如果信號丟失，它只是意味著，一段時間后，將同步接收模塊及其附屬。 在基于角色的控制同步信號每個周期只發(fā)送一次。這意味著，為了讓模塊保持同步的時間來完成一個時期是相同的所有模塊。在這里的實(shí)驗(yàn)周期采取相同的時間內(nèi)，但在更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的其他部分使用隨機(jī)金額的計(jì)算時間，這不能被認(rèn)為是真實(shí)的。這個問題可以很容易地通過使用定時器處理。定時器，即使是不準(zhǔn)確的，足以讓他們可以用于此目的的很長一段時間在一個同步的模塊。 在這里工作，我們有 什么可以實(shí)現(xiàn)用盡可能簡單的控制算法。在相關(guān)工作中，我們已經(jīng)研究了如何我們可以擴(kuò)展的算法，以處理更復(fù)雜的運(yùn)動步態(tài)。我們已經(jīng)表明如何實(shí)現(xiàn)在 CONRO 系統(tǒng) [19]六足行走的步態(tài)。 另一個問題是，如果自重構(gòu)機(jī)器人是自主 loote 在一個真正復(fù)雜的環(huán)境環(huán)境控制算法能夠從環(huán)境考慮的反饋。如何可以在基于角色的控制 [20]包括傳感器反饋，我們已經(jīng)做了一些初步工作。 總結(jié) 我們已經(jīng)提出了基于角色的控制，一般控制在自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動控制算法。該算法具有以下屬性：分布式，可擴(kuò)展性，同質(zhì)化，和最小的。我們已經(jīng)表明算法可以輕松地被用來實(shí)現(xiàn)毛蟲和響尾蛇喜歡運(yùn)動模式。此外，我們已經(jīng)看到，通過給模塊的 ID，它是處理循環(huán)配置。我們已經(jīng)證明了這一點(diǎn)作為一個例子使用滾動軌道。 致謝 這項(xiàng)工作是根據(jù) DARPA 的合同 DAAN0298C4032，歐盟 IST2020133060，丹麥技術(shù)研究委員會合同 26010088 支持。