РОБОТЫ: изменяющие форму автономные лодки MIT

Парк роботизированных лодок MIT пополнился новыми возможностями «изменения формы», благодаря автономному отключению и повторной сборке в различных конфигурациях для формирования различных плавучих платформ в каналах Амстердама. В экспериментах в бассейне лодки перестраивались из прямой линии в «L» (показано здесь) и другие формы. Имиджевый кредит: MIT

Новые возможности позволяют «роботам» изменять конфигурации, формируя всплывающие мосты, ступени и другие структуры.

Парк роботизированных лодок MIT пополнился новыми возможностями «изменения формы», благодаря автономному отключению и повторной сборке в различных конфигурациях для формирования плавучих конструкций во многих каналах Амстердама.

Автономные лодки - прямоугольные корпуса, оборудованные датчиками, двигателями, микроконтроллерами, модулями GPS, камерами и другим оборудованием - разрабатываются в рамках текущего проекта «Робоат» между MIT и Амстердамским институтом передовых городских решений (AMS Institute). Проект возглавляют профессора Массачусетского технологического института Карло Ратти, Даниэла Рус, Деннис Френчмен и Эндрю Уиттл. В будущем Амстердам хочет, чтобы роботы путешествовали по его 165 извилистым каналам, перевозили товары и людей, собирали мусор или самостоятельно собирались на «всплывающих» платформах - таких как мосты и сцены - чтобы помочь уменьшить заторы на оживленных улицах города. ,

В 2016 году исследователи Массачусетского технологического института протестировали прототип робота, который мог двигаться вперед, назад и в боковом направлении по заранее запрограммированной траектории в каналах. В прошлом году исследователи разработали недорогие версии лодок, рассчитанные на 3-D печать, размером в одну четверть, которые были более эффективными и гибкими, и были оснащены усовершенствованными алгоритмами отслеживания траектории. В июне они создали автономный запирающий механизм, который позволяет лодкам нацеливаться и сцепляться друг с другом, и продолжают пытаться, если они терпят неудачу.

В новом документе, представленном на прошлой неделе на Международном симпозиуме IEEE по мульти-роботам и мультиагентным системам, исследователи описывают алгоритм, который позволяет роботам плавно изменять свою форму настолько эффективно, насколько это возможно. Алгоритм обрабатывает все планирование и отслеживание, которые позволяют группам роботов отсоединяться друг от друга в одной конфигурации набора, перемещаться по пути без столкновений и повторно присоединяться к их соответствующему месту в новой конфигурации набора.

В демонстрациях в пуле MIT и при компьютерном моделировании группы связанных роботизированных подразделений перестраивались из прямых или квадратов в другие конфигурации, такие как прямоугольники и буквы «L». Экспериментальные преобразования заняли всего несколько минут. Более сложные смещения формы могут занять больше времени, в зависимости от количества движущихся единиц - которые могут быть десятки - и различий между двумя формами.

«Мы позволили роботам теперь устанавливать и разрывать связи с другими роботами, надеясь перенести деятельность на улицах Амстердама к воде», - говорит Рус, директор Лаборатории информатики и искусственного интеллекта (CSAIL) и Эндрю. и Эрна Витерби, профессор электротехники и компьютерных наук. «Множество лодок могут собраться вместе, чтобы сформировать линейные формы в виде всплывающих мостов, если нам нужно отправить материалы или людей с одной стороны канала на другую. Или мы можем создать всплывающие более широкие платформы для цветочных или продовольственных рынков ».

К работе над Rus присоединились: Ратти, директор Senseable City Lab из Массачусетского технологического института, а также из лаборатории первый автор Банти Генети, Райан Келли и Дрю Мейерс, все исследователи; парк Постдок Шинкью; и научный сотрудник Пьетро Леони.

Бесстолкновительные траектории
Для своей работы исследователи должны были решать проблемы с автономным планированием, отслеживанием и соединением групп роботов. Предоставление каждому подразделению уникальных возможностей, например, определять местонахождение друг друга, договариваться о том, как разбить на части и реформировать, а затем свободно перемещаться, потребует сложных методов связи и контроля, которые могут сделать движение неэффективным и медленным.

Чтобы обеспечить более плавную работу, исследователи разработали два типа подразделений: координаторы и рабочие. Один или несколько работников соединяются с одним координатором, образуя единый объект, называемый «платформой с подключенным судном» (CVP). Все координаторы и рабочие подразделения имеют четыре гребных винта, микроконтроллер с поддержкой беспроводной связи и несколько автоматических механизмов фиксации и сенсорных систем, которые позволяют им соединяться друг с другом.

Координаторы, однако, также оснащены GPS для навигации и инерциальной единицей измерения (IMU), которая вычисляет локализацию, положение и скорость. У рабочих есть только приводы, которые помогают CVP двигаться по пути. Каждый координатор знает и может по беспроводной связи общаться со всеми подключенными работниками. Структуры включают в себя несколько CVP, и отдельные CVP могут сцепляться друг с другом, образуя более крупную сущность.

Во время изменения формы все связанные CVP в структуре сравнивают геометрические различия между ее начальной формой и новой формой. Затем каждый CVP определяет, остается ли он на том же месте и нужно ли ему двигаться. Каждому движущемуся CVP затем назначается время для разборки и новая позиция в новой форме.

Каждый CVP использует собственную технику планирования траектории, чтобы вычислить способ достижения своей целевой позиции без прерывания, оптимизируя маршрут для скорости. Для этого каждый CVP предварительно вычисляет все области без столкновений вокруг движущегося CVP, когда он вращается и удаляется от стационарного.
После предварительного вычисления этих областей без столкновений CVP затем находит кратчайшую траекторию до своего конечного пункта назначения, которая все еще удерживает его от попадания в стационарную единицу. Примечательно, что методы оптимизации используются для того, чтобы сделать весь процесс планирования траектории очень эффективным: предварительное вычисление занимает чуть более 100 миллисекунд, чтобы найти и уточнить безопасные пути. Используя данные GPS и IMU, координатор затем оценивает свою позу и скорость в своем центре масс, беспроводным образом управляет всеми винтами каждого блока и перемещается в целевое местоположение.

В своих экспериментах исследователи протестировали CVP из трех единиц, состоящие из одного координатора и двух рабочих, в нескольких различных сценариях изменения формы. Каждый сценарий включал одно отключение CVP от начальной формы и перемещение и повторную привязку к целевой точке вокруг второго CVP.

Например, три CVP перегруппировались из соединенной прямой линии - где они были соединены вместе по бокам - в прямую линию, соединенную спереди и сзади, а также в виде буквы «L.» В компьютерном моделировании до 12 роботов переставить себя, скажем, из прямоугольника в квадрат или из сплошного квадрата в Z-образную форму.

Расширение
Эксперименты проводились на роботизированных установках четверти размера, длина которых около 1 метра, а ширина - полметра. Но исследователи полагают, что их алгоритм планирования траектории будет хорошо масштабироваться при управлении полноразмерными устройствами, которые будут иметь длину около 4 метров и ширину 2 метра.
Примерно через год исследователи планируют использовать роботов, чтобы сформировать динамичный «мост» через 60-метровый канал между Научным музеем NEMO в центре Амстердама и развивающимся районом. В рамках проекта, получившего название RoundAround, роботы будут плавать непрерывным кругом по каналу, поднимая и опуская пассажиров в доках и останавливаясь или изменяя маршрут, когда они обнаруживают что-либо на пути. В настоящее время прогулка по этому водному пути занимает около 10 минут, но мост может сократить это время до двух минут.

«Это будет первый в мире мост, состоящий из парка автономных лодок», - говорит Ратти. «Обычный мост будет очень дорогим, потому что через него проходят лодки, поэтому вам понадобится механический открывающийся мост или очень высокий мост. Но мы можем соединить две стороны канала [с помощью] автономных лодок, которые станут динамичной, отзывчивой архитектурой, плавающей на воде ».

Чтобы достичь этой цели, исследователи продолжают разработку роботов, чтобы они могли безопасно держать людей и быть устойчивыми к любым погодным условиям, таким как сильный дождь. Они также следят за тем, чтобы роботы могли эффективно соединяться с боковыми сторонами каналов, которые могут сильно различаться по структуре и дизайну.