Модульная робототехника, механика без механизмов

В настоящее время существует уже несколько десятков проектов создания модульной робототехники. При всей схожести задач проекты эти различаются философией и архитектурой. Два главных подхода в построении систем модульных роботов можно обозначить как «пространственный» и «цепной». В первом случае конструкторы пытаются «научить» отдельные модули собираться в пространственные конфигурации вроде кубов или шестигранников. При этом управление роботами и исполнение ими поставленной задачи происходят в параллельном режиме.

 

Проект Claytronics относится именно к «пространственному» типу, так же как и проекты Fracta и Proteo. Другой подход предписывает последовательное размещение модулей в виде линейных объектов, напоминающих гусениц или даже деревья с разнообразными ответвлениями. «Цепному» роботу гораздо легче дотянуться до нужной точки в пространстве, что делает такую схему более универсальной и функциональной, однако при этом и более сложной в разработке и программировании. К цепным системам относятся такие проекты, как PolyBot G3M-TRAN III и Molecubes, пишет   sunhome

Механика без механизмов.Принцип масштабируемости ставит перед учёными ряд нетривиальных задач. Вот одна из них

Сам себе электродвигатель

Робот в обычном понимании этого слова – электронно-механическое устройство. Помимо центрального процессора, контроллеров, памяти, сенсоров, он включает в себя сложную систему исполнительных механизмов. Перенесение всей этой машинерии на субмиллиметровый уровень практически нереально. Выход может быть найден в конструировании таких роботизированных модулей, которые смогут двигаться относительно друг друга, не имея движущихся частей. Для этого авторы проекта Claytronics предполагают использовать силу магнитного притяжения/отталкивания.

Планарные катомы, с которыми работают сегодня в лаборатории, имеют «на борту» набор из 24 электромагнитов. Они расположены по периметру окружности цилиндра на двух уровнях – то есть два круга по 12 магнитов. Верхние и нижние магниты расположены друг относительно друга в шахматном порядке. Разнесение на два уровня понадобилось для того, чтобы избежать интерференции магнитных полей. Полярностью магнитов управляет электроника – каждый из катомов представляет собой компьютер с центральным процессором, приёмно-передающим устройством и набором контроллеров. Если магниты в соприкасающихся сегментах отталкиваются, в то время как магниты в соседних противостоящих сегментах, наоборот, создают притяжение, возникает крутящий момент и катомы начинают вращаться друг относительно друга. Фактически речь идёт о линейном электродвигателе, в котором роль статора и ротора выполняют отдельные модули.

Держатели и шарниры

Впрочем, вращение соседних катомов в противоположных направлениях может поменять ориентацию, но не положение модулей в пространстве. Для передвижения внутри сборки нужен более сложный механизм, основанный на том же принципе. Чтобы при возникновении крутящего момента один из катомов поменял положение, а другой остался на месте, потребуется сборка из четырёх модулей. Два из них будут выполнять функции «держателей». Образуя треугольную конструкцию с третьим катомом («шарниром»), они удерживают его от вращения вокруг своей оси, вызывая в соприкасающихся с ним сегментах силу притяжения. Четвёртый катом – «движитель» – совершает перемещение относительно статичного «шарнира» благодаря созданному электромагнитами крутящему моменту.

Только самое необходимое!

Помимо «масштабируемости» ещё одно важнейшее понятие – «аксиома сборки» (ensemble axiom)

Питать друг друга

Аксиомой сборки называется принцип, согласно которому катом должен быть наделён лишь теми функциями, которые позволяли бы ему эффективно работать во взаимодействии с другими катомами. Исследовательская группа Сета Голдстайна и Теда Маури видит перед собой задачу предельного упрощения конструкции модуля при максимальном использовании её возможностей.

Как и любой робот, катом нуждается в энергии. Вопрос о том, как организовать питание модуля, решается участниками проекта Claytronics в духе аксиомы сборки: отдельный модуль не должен долгое время хранить в себе значительный запас энергии и не будет нуждаться в предварительной подзарядке. Гораздо более правильный путь – научиться передавать и распределять энергию внутри массы катомов.

Выяснилось, что те же самые электромагниты, которые используются в качестве движителя для катомов, способны выступать и в роли приёмников-передатчиков энергии путём электромагнитной индукции. Управляющий электромагнитом контроллер, который построен на полевых транзисторах, работает в данном случае как импульсный источник питания по схеме полного мостового выпрямителя. Он позволяет генерировать достаточно сильное переменное магнитное поле, индуцируя ток в обмотке магнита, находящегося в прилегающем сегменте соседнего катома, и «накачивая» модуль энергией.
Движение, ориентация, связь

Другая задача – обеспечение отдельного модуля сенсорным аппаратом, позволяющим определять своё положение и ориентацию относительно соседних катомов. В современных макромоделях она решается с помощью установленных на катомах инфракрасных излучателей и датчиков. В моделях следующего поколения – они находятся в разработке – локализация катома будет также производиться с помощью электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле станет и носителем данных, которыми станут обмениваться катомы в процессе передвижений.
Таким образом, на следующем этапе реализации проекта электромагнит в модуле станет единственным универсальным устройством, которое обеспечит передвижение катомов в сборке, приём-передачу энергии, выполнит задачи локализации и коммуникации внутри группы модулей, – что вполне соответствует аксиоме сборки.

 

 

 

E-NEWS