研究

研究人员3D打印多腿群机器人,能够集体克服障碍物

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研究人员圣母大学已经成功3D打印出四足群机器人,能够穿越复杂的地形,克服前进道路上的障碍。

Yasemin Ozkan-Aydin是该大学的机器人工程师和电气工程助理教授,他试图在机器人内部模仿蚂蚁、蜜蜂和鸟类的集体行为来解决问题。

该研究探索了如何在单个机器人之间建立物理连接,以增强陆地有腿集体系统的机动性和能力。例如,如果一个机器人遇到一个他们无法克服的障碍,其他机器人就会一起来解决这个问题。

“腿机器人可以驾驭具有挑战性的环境,如崎岖的地形和狭小的空间,并且利用四肢提供有效的身体支撑,实现了快速的机动性,并促进了障碍物,”她说。“然而,腿部机器人面临陆地环境中的独特行动挑战,这导致车辆性能降低。”

3D打印的四足群机器人。图片来自圣母大学。
3D打印的四足群机器人。通过Notre Dame大学的形象。

产品表面群机器人

研究人员越来越多地从自然界及其居民的行为中汲取灵感,以开发各种应用的空中和水下机器人。然而,开发这种能够穿越复杂地形和克服障碍的机器人是具有挑战性的。

特别是,一些研究人员试图绘制和模仿动物王国中那些以自组织集体形式聚集在一起的行为,如蚁群、鸟群和鱼群。尽管试图复制这种自然的集体智能,他们的群体机器人往往是远程控制或gps导航,而不是自组织。

早在2014年,3D打印就被用于海洋环境中的群体机器人的创造CoCoRo(集体认知机器人)项目.该项目见证了五所欧洲大学的参与,最终在40个3D打印的微型潜艇机器人它们可以一起完成复杂的任务。

最近,来自哈佛大学在这个领域迈出了另一步,管理了3D打印一群柔软的机器鱼在没有Wi-Fi或GPS的帮助下,能够以复杂的模式进行游泳。机器人的自给自足可以看到它们在人类否则无法进入的海洋环境中部署了生态监测应用。

目前,基于地面机器人的群体仅限于相对简单的环境,其中ozkan-aydin表示部分是由于缺乏应对困难地形的运动能力。因此,在2020年初,她开始进行研究和实验,以复制动物殖民地的自我组织行为和群族以改善群体的能力。

哈佛大学的科学家们以鱼为灵感设计的机器人配备了摄像头和蓝色led,帮助它们在水下导航。照片由自组织系统研究小组提供。
哈佛大学的科学家们以鱼为灵感设计的机器人配备了摄像头和蓝色led,帮助它们在水下导航。照片由自组织系统研究小组提供。

3D打印机器人群

Ozkan-Aydin的研究基于个人机器人之间的物理连接可以提高整个系统的移动性和能力。基本上,如果特定任务超出单个机器人的能力,例如携带物体,则机器人将彼此物理地连接以形成更大的多腿系统以共同承受重量。

奥兹坎-艾丁解释说:“当蚂蚁收集或运输物体时,如果其中一只遇到了障碍,它们就会集体努力克服障碍。”“例如,如果路径上有一个缺口,它们会形成一座桥,让其他蚂蚁可以穿过——这就是这项研究的灵感。”

“通过机器人,我们能够更好地了解这些生物系统的动力学和集体行为,并探索我们在未来可能如何使用这种技术。”

为了创建她的群,Ozkan-Aydin使用了一个3D打印机,以生产长度为15到20厘米的低成本四腿机器人。每个机器人都配备有锂聚合物电池,微控制器和三个传感器。除了前面的光传感器外,每个机器人还在前面采用两个磁性触摸传感器,然后使其能够连接到群中的其他人。

每个机器人都是3D打印的,有四条可弯曲的腿,根据Ozkan-Aydin的说法,这使机器人具有了一定程度的“机械智能”,并减少了对额外传感器的需求。

“你不需要额外的传感器来探测障碍物,因为腿部的灵活性可以帮助机器人直接通过障碍物,”她说。“它们可以测试道路上的缝隙,用身体搭起一座桥;移动对象单独;或者连接在不同类型的环境中集体移动物体。”

测试群体

在3D打印每个机器人后,Ozkan-Aydin测试了机器人在草地、覆盖物和粗毛地毯等地形上的能力,以及克服树叶和橡子等障碍的能力。她在刨花板上的平地上测试机器人,还用绝缘泡沫和木块搭建楼梯,以适应粗糙的地形。

当一个单独的机器人卡在障碍物上时,一个信号就会发送给群体中的其他机器人。然后,他们通过磁性触觉传感器连接在一起,提供支持,成功地克服了障碍或地形。

虽然Ozkan-Aydin承认她的机器人群设计还有待改进,但她相信这项研究将有助于设计低成本的有腿机器人群,以适应不可预见的情况。她预计,她的研究将有助于群体机器人的发展,这些机器人能够执行现实世界的任务,如搜救行动、运输物体、环境监测,甚至太空探索。

ozkay-aydin将通过进一步探索诸如蚂蚁和白蚁等昆虫的集体动态来改善群体机器人系统的控制,传感和功率能力的研究。除了改进机器人内的电池技术,未来的工作将看看更多的传感器和更强大的电机,同时保持其体积小。

“对于功能群系统来说,电池技术需要改进,”她说。“我们需要能提供更多能量的小型电池,理想情况下,持续时间超过10小时。否则,在现实世界中使用这种类型的系统是不可持续的。你需要考虑机器人在现实世界中是如何工作的,所以你需要考虑需要多少能量,你使用的电池的大小。

“一切都是有限的,所以你需要用机器的每个部分来做决定。”

有关这项研究的进一步信息可参阅题为:“自重构多腿机器人群体共同完成具有挑战性的地面动力任务,”发表在《科学机器人》杂志上。该研究由Y. Ozkan-Aydin和D. Goldman共同撰写。

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特色的图像显示3D打印的四足群机器人。通过Notre Dame大学的形象。

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