Uvod u rojevsku robotiku

Interakcija, razumijevanje i reagiranje na situaciju su neke od najvećih osobina ljudi i to su stvari koje nas čine onim što jesmo. Rođeni smo da živimo u socijalnom društvu i uvijek smo o sebi znali da smo najuspješnije društveno stvorenje poznato od stvaranja ovog planeta.

Društvena kultura i međusobna interakcija u svrhu postizanja zajedničkog cilja ne mogu se naći samo kod ljudi već i kod drugih vrsta ovog planeta, poput jata ptica, riba ili pčela, a zajedničko im je sve što imaju kolektivno ponašanje. Kad ptice migriraju, često su viđene, nalaze se u grupi koju predvodi vodeći član njihove skupine i svi ih slijede, a njihova je skupina dizajnirana u određenim geometrijskim oblicima, iako ptice nemaju osjećaj za oblike i figure i također je grupa napravljena tako da su stariji članovi grupe na granicama, dok su mladi ili novorođenčad u središtu.

Iste karakteristike nalaze se kod vatrogasnih mrava, ti se mravi malo razlikuju od ostalih vrsta mrava i posebno su poznati po ponašanju u skupini, zajedno grade, jedu zajedno i zajedno brane svoje kolonije od plijena, u osnovi znaju mogu postići više kad su u grupi. Nedavno je provedeno istraživanje o grupnom ponašanju ovih mrava u kojem je utvrđeno da su sposobni izrađivati jake konstrukcije kad god je to potrebno, poput one kada je potrebno stvoriti mali most za križanje.

Kolektivno ponašanje ovih društvenih životinja i pomoć insekata pomažu im da postignu više unatoč svim njihovim ograničenjima. Istraživači su pokazali da pojedincima iz ovih skupina nije potrebno predstavljanje ili sofisticirano znanje da bi proizveli tako složena ponašanja. Kod socijalnih insekata, životinja i ptica pojedinci nisu informirani o globalnom statusu kolonije. Znanje o roju distribuira se kroz sve agense, gdje pojedinac nije u stanju izvršiti svoju zadaću bez ostatka roja. Što ako se ovo kolektivno osjetilo može unijeti u skupinu robota? To je ono što je rojska robotika i o tome ćemo detaljno naučiti u ovom članku .

Roboti kao dio roja

Naše okruženje u kojem živimo jako nas nadahnjuje, mnogi od nas inspiraciju za svoj rad uzimaju iz prirode i okoline, poznati izumitelji poput Leonarda da Vincija to su učinili vrlo dobro i to se može vidjeti u njegovim dizajnom u današnjem svijetu također nam rade isti postupak za rješavanje dizajnerskih i inženjerskih problema poput nosa vlakova s metkom nadahnutih iz kljuna vodomera tako da ima veću brzinu, energetski je učinkovitiji i proizvodi relativno manje buke dok prolazi tuneli i za to postoji pojam koji je poznat kao Biomimicry.

Dakle, za rješavanje složenih zadataka u kojima je ljudska intervencija teška i ima veću složenost onoga što treba biti više od običnog robota, kao što su slučajevi kada se zgrada sruši zbog potresa, a ljudi depresivni pod betonom, sigurno je ovaj problem zahtijeva neku vrstu robota koji može istodobno izvoditi više zadataka i dovoljno malen da prođe kroz beton i pomaže vam doći do informacija o ljudskom postojanju, dakle, ono što vam padne na pamet, grupa malih robota koji su mali dovoljno i autonomno kreiraju svoj način i dobivaju informacije, a to zasigurno oponaša nekakav roj insekata ili muha, a time i gdje robotizacija rojeva dolazi na prvo mjesto, a ovdje je ona formalnija. Rojska robotikaje područje multi-robotike u kojem se velik broj robota koordinira na distribuiran i decentraliziran način. zasniva se na upotrebi lokalnih pravila, malim jednostavnim robotima nadahnutim kolektivnim ponašanjem društvenih insekata, tako da velik broj jednostavnih robota može nadmašiti složeni zadatak na učinkovitiji način od jednog robota, dajući robusnost i fleksibilnost grupi.

Organizacije i grupe nastaju iz interakcija između pojedinaca i između pojedinaca i okruženja koje ih okružuje, te su interakcije raštrkane po koloniji, tako da kolonija može riješiti zadatke koje je teško riješiti pojedinac, što znači raditi na zajedničkom cilju.

Kako je Rojačka robotika nadahnuta od društvenih insekata

Više robotski sustavi održavaju neke od karakteristika društvenih insekata poput robusnosti, roj robota može raditi čak i ako neki pojedinci ne uspiju ili postoje poremećaji u okolnom okruženju; fleksibilnost, roj može stvoriti različita rješenja za različite zadatke i može promijeniti svaku ulogu robota ovisno o potrebi trenutka. Skalabilnost, roj robota može raditi u različitim veličinama grupa, od nekoliko pojedinaca do tisuća njih.

Karakteristike roja robota

Kao što je rečeno, jednostavni robotski roj dobiva karakteristike društvenih insekata koji su navedeni na sljedeći način

1. Roj robota mora biti autonoman i sposoban osjetiti i djelovati u stvarnom okruženju.

2. Broj robota u roju mora biti dovoljno velik da svaki njihov zadatak podržavaju kao grupu koju moraju izvršiti.

3. U roju treba postojati homogenost, u roju mogu biti različite skupine, ali ne smije ih biti previše.

4. Pojedinačni roj roja mora biti nesposoban i neučinkovit u odnosu na svoj glavni cilj, to jest, moraju surađivati kako bi uspjeli i poboljšali performanse.

5. Svi roboti moraju imati samo lokalne senzorske i komunikacijske sposobnosti sa susjednim partnerom roja, što osigurava distribuciju koordinacije roja i skalabilnost postaje jedno od svojstava sustava.

Multi-robotički sustavi i rojevska robotika

Rojevska roja dio je više robotskog sustava i kao grupa imaju neke karakteristike svojih više osi koje definiraju njihovo grupno ponašanje

Kolektivna veličina: Kolektivna veličina je SIZE-INF koja je N >> 1 što je suprotno SIZE-LIM, gdje je broj N robota manji od njihove veličine okoline u koju su stavljeni.

Doseg komunikacije: Domet komunikacije je COM-NEAR, tako da roboti mogu komunicirati samo s robotima koji su dovoljno blizu.

Komunikacijska topologija: Komunikacijska topologija za robote u roju bila bi općenito TOP-GRAF, roboti su povezani u opću topologiju grafa.

Propusnost komunikacije: Propusnost komunikacije je BAND-MOTION, trošak komunikacije između dva robota jednak je pomicanju robota između lokacija.

Kolektivna rekonfigurabilnost: Kolektivna rekonfigurabilnost je općenito ARR-COMM, ovo je koordinirani aranžman s članovima koji komuniciraju, ali također može biti ARR-DYN, odnosno dinamički raspored, položaji se mogu nasumično mijenjati.

Procesna sposobnost: Procesna sposobnost je PROC-TME, gdje je računski model ekvivalent stroju za ugađanje.

Kolektivni sastav: Kolektivni sastav je CMP-HOM, što znači da su roboti homogeni.

Prednosti multi-robotičkih sustava u usporedbi s jednim robotom

Paralelizam zadataka: Svi znamo da se zadaci mogu rastaviti i svi smo svjesni agilne metode razvoja, pa pomoću paralelizma grupe mogu izvršiti zadatak učinkovitije.
Omogućavanje zadatka: Grupa je moćnija od pojedinačne, a isto vrijedi i za rojačku robotiku, gdje skupina robota može zadaću obaviti određenim zadatkom koji je nemoguć za jednog robota
Raspodjela u osjetljivosti: Kako roj ima kolektivno očitavanje, tako ima i širi raspon osjetljivosti od dometa pojedinog robota.
Distribucija u akciji: Grupa robota može istodobno pokretati različite radnje na različitim mjestima.
Tolerancija kvarova: Neuspjeh pojedinog robota unutar roja robota unutar grupe ne znači da će zadatak propasti ili se ne može izvršiti.

Eksperimentalne platforme u rojevskoj robotici

Postoje različite eksperimentalne platforme koje se koriste za rojačku robotiku, što uključuje upotrebu različitih eksperimentalnih platformi i različitih robotskih simulatora za poticanje okoliša rojske robotike bez stvarnog hardvera.

1. Robotske platforme

Različite robotske platforme koriste se u različitim rojno-robotskim eksperimentima u različitim laboratorijima

(i) Swarmbot

Korišteni senzori: ima razne senzore koji pomažu botu, što uključuje senzore dometa i kameru.

Kretanje: Koristi kotačiće za premještanje s jednog na drugi.

Razvio: Izradio Sveučilište Rice, SAD

Opis: SwarmBot je robotska platforma roja razvijena za istraživanje na Sveučilištu Rice. Može autonomno raditi otprilike 3 sata jednog punjenja, također su ovi botovi samoomogućeni da se pronađu i usidre u stanice za punjenje postavljene na zidovima.

(ii) Kobot

Korišteni senzori: Uključuje upotrebu senzora udaljenosti, senzora vida i kompasa.

Kretanje: Koristi kotačiće za njihovo kretanje

Razvio: Razvijen je u istraživačkom laboratoriju KOVAN na Bliskoistočnom tehničkom sveučilištu u Turskoj.

Opis: Kobot je posebno dizajniran za istraživanje robotike rojeva. Napravljen je od nekoliko senzora koji ga čine savršenom platformom za izvođenje različitih rotiranih situacija u roju, poput koordiniranog kretanja. Može raditi autonomno 10 sati s jednim punjenjem. Također uključuje zamjenjivu bateriju koja se ručno puni i uglavnom se koristi u provedbi scenarija samoorganiziranja.

(iii) S-bot

Korišteni senzori: Koristi razne senzore kako bi pokrenuo stvari poput senzora za svjetlost, IR, položaj, silu, brzinu, temp, vlažnost, ubrzanje i mikrofon.

Pokret: Za kretanje koristi drveće pričvršćeno za podnožje.

Razvio: Razvio ga je École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Švicarska.

Opis: S-bot je jedna od nekoliko kompetentnih i značajnih rojevskih robotskih platformi ikad izgrađenih. ima jedinstveni dizajn hvataljke koji može hvatati predmete i druge s-botove. Također, mogu približno vježbati 1 sat s jednim punjenjem.

(iv) Jasminov robot

Korišteni senzori: Koristi senzore udaljenosti i svjetlosti.

Izradio: Razvilo ga je Sveučilište u Stuttgartu, Njemačka.

Kretanje: kreće se na kotačima.

Opis: Jasmine mobilni roboti rotirana su platforma roja koja se koristi u mnogim rotičkim istraživanjima rojeva.

(v) E-pak

Korišteni senzori: Koristi razne senzore poput udaljenosti, kamere, ležaja, ubrzanja i mikrofona.

Razvio: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Švicarska

Pokret: Temelji se na kretanju kotača.

Opis: E-pak je prvenstveno dizajniran u obrazovne svrhe i jedan je od najuspješnijih robota. Međutim, zbog svoje jednostavnosti često se koristi i u istraživanjima robotske rojeve. Ima korisničke zamjenjive baterije s radnim vremenom od 2-4 sata.

(vi) Kilobot

Korišteni senzori: Koristi kombinaciju senzora udaljenosti i svjetlosti.

Razvio: Sveučilište Harvard, SAD

Kretanje: Koristi vibracije sustava za kretanje tijela sustava.

Opis: Kilobot je umjereno nedavna robotska platforma sa rojem s jedinstvenom funkcijom grupnog punjenja i grupnog programiranja. Zbog svoje jednostavnosti i male potrošnje energije, uptime ima i do 24 sata. Roboti se ručno pune u skupinama u posebnoj stanici za punjenje.

2. Simulatori

Robotski simulatori rješavaju problem hardvera potreban za posao ispitivanja vjerodostojnosti botova u umjetno simuliranim parametrima stvarnog okruženja.

Postoji mnogo robotskih simulatora koji se mogu koristiti za više robotske eksperimente, točnije za robotske eksperimente s rojevima, a svi se razlikuju u svojim tehničkim aspektima, ali i u licenci i cijeni. Neki od simulatora za rojeve i multi-robotske platforme su sljedeći:

SwarmBot3D: SwarmBot3D je simulator za multi-robotiku, ali dizajniran posebno za S-Bot robota projekta SwarmBot.
Microsoft Robotics Studio: Robotski studio simulator je koji je razvio Microsoft. Omogućuje više robotsku simulaciju i zahtijeva pokretanje Windows platforme.
Webots: Webots je realan mobilni simulator koji omogućuje simulacije s više robota, s već izgrađenim modelima pravih robota. Može simulirati stvarne sudare primjenom fizike stvarnog svijeta. Međutim, njegove se performanse smanjuju kada se radi s više od robota što otežava simulacije s velikim brojem robota.
Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo je simulator otvorenog koda s više robotskih mogućnosti i širokim nizom dostupnih robota i senzora spremnih za upotrebu. Može se nositi s simulacijama roja-robotiziranih eksperimenata u 2D okruženju s vrlo dobrim rezultatima. Veličina populacije u okolišu može u stvarnom vremenu povećati do 1000 jednostavnih robota.

Algoritmi i tehnika korišteni za razne zadatke u rojenoj robotici

Ovdje ćemo istražiti razne tehnike koje se koriste u roj robotici za razne jednostavne zadatke kao što su agregacija, raspršivanje itd. Ti su zadaci osnovni početni koraci za sve vrhunske radnike u roj robotici.

Agregacija: Agregacija spaja sve botove i to je doista važan i početni korak u drugim složenim koracima kao što su formiranje uzoraka, samostalno okupljanje, razmjena informacija i kolektivni pokreti. Robot koristi svoje senzore poput senzora blizine i mikrofona koji koristi mehanizme za izmjenu zvuka uz pomoć aktuatora poput zvučnika. Senzori pomažu jednom botu da pronađe najbližeg robota za kojeg se također ispostavlja da je središte grupe, gdje se bot mora koncentrirati isključivo na drugog bota koji je u središtu grupe i doći do njega te isti postupak slijede svi članovi roja koji im dopuštaju da objedine sve.

Raspršivanje: Kada se roboti skupe na jednom mjestu, sljedeći je korak raspršiti ih u okruženju u kojem rade kao jedan sastavni član roja, a to također pomaže u istraživanju okoliša kako svaki bot roja djeluje kao jedan senzor kada je ostavljen za istraživanje. Predloženi su i koriste se različiti algoritmi za raspršivanje robota, jedan od pristupa uključuje algoritam potencijalnog polja za raspršivanje robota u kojem se roboti odbijaju od prepreka i drugih robota koji omogućuju linearno širenje okoline rojeva.

Jedan od ostalih pristupa uključuje raspršivanje temeljeno na čitanju signala bežičnog intenziteta, signali bežičnog intenziteta omogućavaju robotima da se raziđu bez znanja svojih najbližih susjeda, oni samo hvataju intenzitet bežične veze i raspoređuju ih kako bi ih raspršili u okolnom okruženju.

Formiranje uzoraka: Stvaranje uzoraka u rojevoj robotici glavna je karakteristika njihovog kolektivnog ponašanja, ti obrasci mogu biti od velike pomoći kada se želi riješiti problem koji uključuje da cijela grupa zajedno radi. U oblikovanju uzoraka, botovi stvaraju globalni oblik mijenjajući dio pojedinih robota gdje svaki bot ima samo lokalne informacije.

Roj robota tvori strukturu s unutarnjim i vanjskim definiranim oblikom. Pravila zbog kojih se čestica / roboti agregiraju u željenoj formaciji su lokalna, ali pojavljuje se globalni oblik, bez ikakvih globalnih informacija o pojedinačnom članu roja. Algoritam koristi virtualne opruge između susjednih čestica, uzimajući u obzir koliko susjeda imaju.

Kolektivni pokret: Što znači tim ako svi ne mogu zajedno riješiti problem, a to je najbolji dio roja? Kolektivno kretanje način je na koji se omogućava koordiniranje grupe robota i tjera ih da se zajedno kreću kao grupa na kohezivan način. To je osnovni način izvršavanja nekih kolektivnih zadataka i može se klasificirati u dvije vrste formacija i flokiranje.

Mnogo je metoda kolektivnog kretanja, ali zabrinjavaju samo one koje omogućuju skalabilnost sa sve većim brojem robota gdje svaki robot prepoznaje relativni položaj svog susjeda i reagira odgovarajućim silama koje bi mogle biti atraktivne ili odbojne za stvaranje struktura za kolektivne pokrete.

Dodjela zadataka: Dodjela zadataka problematično je područje rojske robotike na temelju podjele rada. Međutim, postoje razne metode koje se koriste za podjelu rada, jedna od njih je da bi svaki robot zadržao promatranje zadataka drugog robota i održavao povijest istih, a kasnije mogao promijeniti vlastito ponašanje kako bi se uklopio u zadatak, ova metoda temelji se na tračevoj komunikaciji i zasigurno ima svoje prednosti boljih performansi, ali istodobno ima i zabludu da zbog ograničene robusnosti i gubitka paketa tijekom komunikacije ispada manje skalabilna. U drugoj metodi neke od robota najavljuju zadatke, a određeni broj drugih robota istovremeno ih pohađa, to je jednostavna i reaktivna metoda.

Traženje izvora: Roja robota vrlo je uspješna u zadatku pretraživanja izvora, posebno kada je izvor za pretraživanje složen, kao u slučaju zvuka ili mirisa. Pretraživanje robotizacije rojeva vrši se na dva načina, jedan je globalni, drugi je lokalni, a razlika između njih je komunikacija. Jedna s globalnom komunikacijom među robotima u kojoj su roboti u mogućnosti pronaći globalni maksimalni izvor. Drugi je ograničen samo na lokalnu komunikaciju između robota kako bi se pronašli lokalni maksimumi.

Prijevoz predmeta: Mravi imaju kolektivni prijevoz predmeta gdje pojedini mrav čeka drugog partnera za suradnju ako je predmet koji se prevozi pretežak. Pod istim laganim robotima, roj čini da stvari funkcioniraju na isti način gdje svaki robot ima prednost u postizanju suradnje od ostalih robota za transport predmeta. S-botovi nude izvrsnu platformu za rješavanje problema prijevoza gdje se sami okupljaju za suradnju i njihov se algoritam uvećava ako je predmet koji se prevozi težak.

Druga metoda je kolektivni prijevoz predmeta gdje se predmeti sakupljaju i spremaju za kasniji transport, ovdje roboti imaju dva različita zadatka - prikupljanje predmeta i njihovo stavljanje u kolica te zajedničko premještanje kolica koja nose te predmete.

Kolektivno mapiranje: Kolektivno mapiranje koristi se za istraživanje i mapiranje velikih zatvorenih površina pomoću velikog broja robota.

U jednoj metodi mapiranje izvode dvije skupine od dva robota, koji razmjenjuju informacije kako bi spojili karte. Druga metoda temelji se na ulozi u kojoj robot može preuzeti bilo koju od dvije uloge u pokretu ili orijentiru koju može zamijeniti za kretanje roja. Također, roboti imaju određenu procjenu svog položaja, tako da moraju procijeniti mjesto ostalih robota kako bi stvorili zajedničku kartu.

Primjena rojevske robotike u stvarnom svijetu

Iako je opsežno istraživanje robotike rojeva započelo oko 2012. godine, do danas nije izašlo s komercijalnom primjenom u stvarnom svijetu, koristi se u medicinske svrhe, ali ne u tolikoj mjeri i još uvijek je na testiranju. Postoje razni razlozi zašto ova tehnologija ne izlazi na tržište.

Dizajniranje algoritma za pojedinca i globalno: kolektivno ponašanje roja proizlazi iz pojedinca koji zahtijeva dizajniranje jednog robota i njegovog ponašanja, a trenutno ne postoji metoda prelaska s individualnog na grupno ponašanje.

Ispitivanje i primjena: Opsežni zahtjevi za laboratorije i infrastrukturu za daljnji razvoj.

Analiza i modeliranje: Razni osnovni zadaci koji se izvode u roj robotici sugeriraju da su oni nelinearni, pa je izgradnja matematičkih modela za njihov rad prilično teška

Osim ovih izazova, postoje i drugi sigurnosni izazovi za pojedinca i roj zbog njihovog jednostavnog dizajna

(i) Fizičko hvatanje robota.

(ii) Identitet osobe u roju, koju robot mora znati je li u interakciji s robotom svog roja ili drugim rojem.

(iii) Komunikacijski napadi na pojedinca i roj.

Glavni je cilj rojevske robotike pokriti široko područje u kojem bi se roboti mogli razići i obavljati svoje zadatke. Oni su korisni za otkrivanje opasnih događaja poput curenja, nagaznih mina itd., A glavna prednost distribuirane i pomične mreže senzora je što može osjetiti široko područje, pa čak i djelovati na njega.

Primjene rojevske robotike zaista obećavaju, ali još uvijek postoji potreba za njezinim razvojem kako u algoritamskom, tako i u modeliranju.