Introducció a la robòtica de l’eixam

La interacció, la comprensió i la resposta a la situació són algunes de les característiques més importants dels humans i aquestes són les coses que ens converteixen en allò que som. Naixem per viure en una societat social i sempre hem sabut de nosaltres que som la criatura social més educada que es coneix des de la creació d’aquest planeta.

La cultura social i la interacció entre si per ajudar a assolir un objectiu comú no només es troba en els humans, sinó també en altres espècies d’aquest planeta, com ara un estol d’ocells, peixos o abelles, tot el que tenen en comú. un comportament col·lectiu. Quan les aus migren, sovint es veuen en un grup que està dirigit pel membre principal del seu grup i tots els segueixen i el seu grup està dissenyat en unes formes geomètriques particulars, tot i ser les aus que no tenen cap sentit de també es fa el grup de manera que els membres majors del grup es troben als límits mentre els joves o els nounats són al centre.

Les mateixes característiques es troben a les formigues de foc, aquestes formigues són una mica diferents d’altres espècies de formigues i són especialment conegudes pel seu comportament grupal, es construeixen junts, mengen junts i defensen les seves colònies de les preses juntes, bàsicament saben poden aconseguir més quan estan en un grup. Es va dur a terme un estudi recent sobre el comportament grupal d’aquestes formigues en què es va trobar que eren capaços de fer estructures fortes sempre que es necessitava, com quan es necessitava per crear un petit pont per creuar-se.

El comportament col·lectiu d'aquests animals socials i l'insecte els ajuda a aconseguir més malgrat totes les seves limitacions. Els investigadors han demostrat que els individus d’aquests grups no necessiten cap representació ni coneixement sofisticat per produir comportaments tan complexos. En els insectes socials, animals i aus, no s’informa als individus sobre l’estat global de la colònia. El coneixement de l’eixam es distribueix per tots els agents, on un individu no pot complir la seva tasca sense la resta de l’eixam. Què passa si aquesta detecció col·lectiva es pot incorporar a un grup de robots? Això és el que és la robòtica de l’eixam i en coneixerem detalladament en aquest article .

Els robots com a part d’un eixam

El nostre entorn en què vivim és molt inspirador per a nosaltres, molts de nosaltres ens inspirem per la seva feina de la natura i el medi ambient, famosos inventors com el Leonardo da Vinci ho van fer molt bé i es poden veure en els seus dissenys al món actual. també ens fan funcionar el mateix procés per resoldre problemes de disseny i enginyeria, com ara que el nas dels trens bala s’inspira en el bec del martinet pescador perquè tingui més velocitat i sigui més eficient energèticament i produeixi relativament menys soroll al passar els túnels i hi ha un terme encunyat per a això i el seu conegut com a biomimicry.

Per tant, per resoldre les tasques complexes en què la intervenció humana és difícil i té una complexitat més gran del que ha de ser alguna cosa més que un robot mitjà, com alguns casos d’ús en què un edifici s’ensorra a causa d’un terratrèmol i la gent es troba deprimida sota el formigó, sens dubte aquest problema requereix algun tipus de robot que pugui executar diverses tasques alhora i prou petites per fer-ho passar pel formigó i que ajudi a obtenir la informació de l’existència humana en primer lloc, així que el que us vingui al cap, un grup de petits robots que són petits prou i autònomament creen el seu propi camí i obtenen la informació i, sens dubte, imiten una mica d’eixam d’insectes o mosques i, per tant, on la robòtica de l’eixam arriba al primer lloc i aquí en tenim la més formal. Robòtica d’eixamés un camp de multirobòtica en el qual un gran nombre de robots es coordinen de forma distribuïda i descentralitzada. es basa en l’ús de regles locals, petits robots simples inspirats en el comportament col·lectiu dels insectes socials de manera que un gran nombre de robots simples poden superar una tasca complexa d’una manera més eficient que un sol robot, donant robustesa i flexibilitat al grup.

Les organitzacions i el grup sorgeixen de les interaccions entre els individus i entre els individus i l’entorn tancat, aquestes interaccions es troben disperses per tota la colònia i, per tant, la colònia pot resoldre tasques difícils de resoldre per un únic individu, cosa que significa treballar cap a un objectiu comú.

Com Swarm Robotics s’inspira en els insectes socials

Els sistemes multirobòtics mantenen algunes de les característiques dels insectes socials com la robustesa, l’eixam robot pot funcionar fins i tot si alguns dels individus fallen o hi ha interrupcions en l’entorn circumdant; flexibilitat, l’eixam és capaç de crear diferents solucions per a diferents tasques i pot canviar el rol de cada robot en funció de la necessitat del moment. Escalabilitat, l’eixam de robots és capaç de treballar en diferents mides de grups, des d’uns quants individus fins a milers d’ells.

Característiques del Robot Swarm

Com s'ha dit, un eixam robòtic simple adquireix una característica dels insectes socials que es detallen a continuació

1. L’eixam de robots ha de ser autònom i capaç de percebre i actuar en un entorn real.

2. El nombre de robots d'un eixam ha de ser prou gran com per recolzar totes les seves tasques com a grup que han de realitzar.

3. Hi ha d’haver homogeneïtat a l’eixam, hi pot haver diferents grups, però no n’han de ser massa.

4. Un sol robot de l’eixam ha de ser incapaç i ineficient respecte al seu objectiu principal, és a dir, ha de col·laborar per tenir èxit i millorar el rendiment.

5. Es necessita que tots els robots tinguin només capacitats de comunicació i detecció locals amb el soci veí de l’eixam, cosa que garanteix la distribució de la coordinació de l’eixam i l’escalabilitat es converteix en una de les propietats del sistema.

Sistemes multirobòtics i robòtica de Swarm

La robòtica amb eixams forma part del sistema multirobòtic i, com a grup, tenen algunes característiques dels seus múltiples eixos que defineixen el seu comportament grupal.

Mida col·lectiva: la mida col·lectiva és el SIZE-INF que és N >> 1 que és oposat al SIZE-LIM, on el nombre de N del robot és menor que la mida del seu entorn respectiu en què es posen.

Rang de comunicació: el rang de comunicació és COM-NEAR, de manera que els robots només poden comunicar-se amb els robots prou propers.

Topologia de comunicació: la topologia de comunicació per als robots de l’eixam seria generalment TOP-GRAPH, els robots estan enllaçats en una topologia de gràfics generals.

Amplada de banda de comunicació: l’ amplada de banda de comunicació és BAND-MOTION, el cost de comunicació entre els dos robots és el mateix que moure els robots entre ubicacions.

Reconfigurabilitat col·lectiva: la reconfigurabilitat col·lectiva és generalment ARR-COMM, es tracta d'un acord coordinat amb els membres que es comuniquen, però també podria ser ARR-DYN, és a dir, la disposició dinàmica, les posicions poden canviar aleatòriament.

Capacitat de procés: la capacitat de procés és PROC-TME, on el model computacional és un equip sintonitzant equivalent.

Composició col·lectiva: la composició col·lectiva és CMP-HOM, és a dir, que els robots són homogenis.

Avantatges dels sistemes multirobòtics en comparació amb un sol robot

• Paral·lelisme de tasques: tots sabem que les tasques poden ser descomponibles i tots som conscients del mètode de desenvolupament àgil, de manera que mitjançant el paral·lelisme els grups poden fer la tasca de manera més eficient.
• Activació de tasques: un grup és més potent que un de sol i el mateix s'aplica a la robòtica de l'eixam, on un grup de robots pot fer que la tasca faci una tasca impossible per a un sol robot
• Distribució en detecció: com que l’eixam té una detecció col·lectiva, té un abast de detecció més ampli que el d’un sol robot.
• Distribució en acció: un grup de robots pot accionar diferents accions en diferents llocs alhora.
• Tolerància a fallades: el fracàs d’un sol robot dins d’un eixam de robots dins d’un grup no implica que la tasca falli o no es pugui realitzar.

Plataformes experimentals en robòtica de Swarm

Hi ha diferents plataformes experimentals que s’utilitzen per a la robòtica de l’eixam, que inclou l’ús de les diferents plataformes experimentals i diferents simuladors robòtics per estimular l’entorn de la robòtica de l’eixam sense el maquinari real necessari.

1. Plataformes robòtiques

Diferents plataformes robòtiques s’utilitzen en diferents experiments robòtics d’eixam en diferents laboratoris

(i) Swarmbot

Sensors utilitzats: disposa de diversos sensors per ajudar al robot, que inclou sensors de distància i càmera.

Moviment: fa servir rodes per moure’s d’una a una altra.

Desenvolupat per: Ha estat desenvolupat per la Rice University, EUA

Descripció: SwarmBot és una plataforma robòtica d’eixam desenvolupada per a la investigació per la Rice University. Pot funcionar de forma autònoma durant aproximadament 3 hores d'una sola càrrega, també aquests robots es poden autoactivar per trobar i acoblar-se a les estacions de càrrega col·locades a les parets.

(ii) Kobot

Sensors utilitzats: implica l'ús del sensor de distància, sensors de visió i brúixola.

Moviment: utilitza rodes per al seu moviment

Desenvolupat per: Es desenvolupa al laboratori de recerca KOVAN de la Universitat Tècnica de l'Orient Mitjà, Turquia.

Descripció: Kobot està dissenyat específicament per a la investigació en robòtica d’eixam. Està format per diversos sensors que el converteixen en una plataforma perfecta per a la realització de diverses situacions robòtiques d’eixam, com ara el moviment coordinat. Pot funcionar de manera autònoma durant 10 hores amb una sola càrrega. També inclou una bateria reemplaçable que es recarrega manualment i que s’utilitza principalment en la implementació d’escenaris d’autoorganització.

(iii) S-bot

Sensors utilitzats: fa servir diversos sensors per fer funcionar les coses, com ara sensors de llum, IR, posició, força, velocitat, temperatura, humitat, acceleració i micròfon.

Moviment: fa ús dels treels fixats a la base per als seus moviments.

Desenvolupat per: Ha estat desenvolupat per l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suïssa.

Descripció: S-bot és una de les diverses plataformes robotitzades d’eixam competents i substancials mai construïdes. té un disseny de pinça únic capaç d’agafar objectes i altres s-bots. A més, poden treballar aproximadament 1 hora amb una sola càrrega.

(iv) Robot Jasmine

Sensors utilitzats: fa servir sensors de distància i llum.

Desenvolupat per: Ha estat desenvolupat per la Universitat de Stuttgart, Alemanya.

Moviment: fa el seu moviment sobre les rodes.

Descripció: Els robots mòbils Jasmine són plataformes robotitzades d’eixam que s’utilitzen en moltes investigacions robotitzades d’eixam.

(v) E-Puck

Sensors utilitzats: utilitza una gran varietat de sensors com la distància, la càmera, el coixinet, l'acceleració i un micròfon.

Desenvolupat per: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suïssa

Moviment: es basa en el moviment de la roda.

Descripció: E-puck està dissenyat principalment amb finalitats educatives i és un dels robots amb més èxit. Tanmateix, a causa de la seva simplicitat, sovint també s’utilitza en investigacions de robòtica d’eixam. Té bateries substituïbles per l'usuari amb un temps de treball de 2 a 4 hores.

(vi) Kilobot

Sensors utilitzats: utilitza una combinació de sensors de distància i llum.

Desenvolupat per: Harvard University, EUA

Moviment: utilitza les vibracions del sistema per al moviment del cos del sistema.

Descripció: Kilobot és una plataforma robòtica d’eixam moderadament recent amb una funció única de càrrega de grup i programació de grup. A causa de la seva senzillesa i baix consum d’energia, té un temps d’activitat de fins a 24 hores. Els robots es carreguen manualment en grups en una estació de càrrega especial.

2. Simuladors

Els simuladors robòtics resolen el problema del maquinari necessari per a la prova de la credibilitat dels robots en els paràmetres de l'entorn real simulats artificialment.

Existeixen molts simuladors robòtics que es poden utilitzar per a experiments multirobòtics i, més específicament, per als experiments robòtics d’eixam. Tots ells difereixen en els seus aspectes tècnics, però també en la llicència i el cost. Alguns dels simuladors per als robots de l’eixam i les plataformes multirobòtics són els següents:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D és un simulador per a la multi-robòtica però dissenyat específicament per al robot S-Bot del projecte SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: l’ estudi robòtic és un simulador desenvolupat per Microsoft. Permet la simulació multirobòtica i requereix l'execució de la plataforma Windows.
• Webots: Webots és un simulador mòbil realista que permet simulacions de múltiples robots, amb models ja construïts dels robots reals. Pot simular col·lisions reals aplicant la física del món real. No obstant això, el seu rendiment disminueix quan es treballa amb més de robots que dificulten les simulacions amb un gran nombre de robots.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo és un simulador de codi obert amb funcions multirobòtics i un ampli conjunt de robots i sensors disponibles per al seu ús. Pot gestionar les simulacions dels experiments robot-eixam en un entorn 2D amb molt bons resultats. La mida de la població a l’entorn pot escalar fins a 1.000 robots simples en temps real.

Algoritmes i tècnica utilitzats per a diverses tasques a Swarm Robotics

Aquí explorarem les diverses tècniques que s’utilitzen en la robòtica de l’eixam per a diverses tasques senzilles com ara l’agregació, la dispersió, etc. Aquestes tasques són els passos bàsics inicials per a tots els treballs de gamma alta en robòtica d’eixam.

Agregació: l' agregació està reunint tots els robots i és realment important i és un pas inicial en altres passos complexos, com ara la formació de patrons, l'autoensamblatge, l'intercanvi d'informació i els moviments col·lectius. Un robot utilitza els seus sensors, com ara sensors de proximitat i micròfon, que utilitza mecanismes d’intercanvi de so amb l’ajut de l’actuador, com ara altaveus. Els sensors ajuden a un sol robot a trobar el robot més proper que també resulta ser el centre del grup, on el robot s’ha de concentrar únicament a l’altre robot que es troba al centre del grup i arribar cap a ell i al mateix procés el segueixen tots els membres de l’eixam que els permeten agrupar-ho tot.

Dispersió: quan els robots s’agrupen en un sol lloc, el següent pas és dispersar-los a l’entorn on treballen com a membres integrants de l’eixam i això també ajuda a l’exploració de l’entorn que cada robot de l’eixam es dedica a com a sensor únic quan es deixa explorar. S’han proposat i utilitzat diversos algoritmes per a la dispersió dels robots, un dels enfocaments inclou l’algoritme de camp potencial per a la dispersió dels robots en què els robots es repelen pels obstacles i altres robots que permeten que l’entorn de l’eixam es dispersi linealment.

Un dels altres enfocaments consisteix en la dispersió basada en la lectura dels senyals d’intensitat sense fils, els senyals d’intensitat sense fils permeten als robots dispersar-se sense el coneixement dels seus veïns més propers, simplement capturen les intensitats sense fils i els organitzen per dispersar-los a l’entorn que els envolta.

Formació de patrons: la formació de patrons en la robòtica de l’eixam és una característica principal del seu comportament col·lectiu, aquests patrons poden ajudar molt quan s’ha de resoldre un problema que implica que tot el grup treballi junts. En la formació de patrons, els robots creen una forma global canviant la porció dels robots individuals en què cada bot només té informació local.

Un eixam de robots forma una estructura amb una forma definida interna i externa. Les regles que fan que les partícules / robots s’agrupen en la formació desitjada són locals, però apareix una forma global, sense tenir informació global respecte a un membre individual de l’eixam. L’algorisme fa servir molls virtuals entre les partícules veïnes, tenint en compte quants veïns tenen.

Moviment col·lectiu: Què significa un equip si tots no saben solucionar el problema junts i això és la millor part d’un eixam? El moviment col·lectiu és una manera de permetre coordinar un grup de robots i fer-los moure junts com a grup de manera cohesionada. És una forma bàsica de fer algunes tasques col·lectives i es pot classificar en dos tipus de formació i agrupació.

Hi ha molts mètodes de moviment col·lectiu, però només preocupen aquells que permeten l’escalabilitat amb un nombre creixent de robots, on cada robot reconeix la posició relativa del seu veí i reacciona amb forces respectives que podrien ser atractives o repulsives per formar estructures per a moviments col·lectius.

Assignació de tasques: l'assignació de tasques és una àrea problemàtica de la robòtica de l'eixam basada en la divisió del treball. Tanmateix, hi ha diversos mètodes que s’utilitzen per a la divisió del treball, un d’ells és que cada robot mantindria una observació sobre les tasques d’un altre robot i mantindria la història de la mateixa manera que posteriorment pugui canviar el seu propi comportament per adaptar-se a la tasca. aquest mètode es basa en la comunicació de xafarderies i, sens dubte, té els seus avantatges d'un millor rendiment, però al mateix temps té un inconvenient que, a causa de la robustesa limitada i la pèrdua de paquets durant la comunicació, resulta ser menys escalable. En l’altre mètode, alguns dels robots anuncien tasques i un cert nombre d’altres els assisteixen simultàniament, és un mètode senzill i reactiu.

Cerca d'una font: la robòtica de Swarm té molt èxit en la tasca de la cerca de fonts, especialment quan la font de la cerca és complexa, com en cas de so o olor. La cerca per la robòtica de l’eixam es fa de dues maneres: una és global i l’altra és local, i la diferència entre ambdues és la comunicació. Un amb la comunicació global entre els robots en què els robots poden trobar la font màxima global. L’altre es limita només a la comunicació local entre els robots per trobar els màxims locals.

Transport d'objectes: les formigues tenen transport col·lectiu d'objectes on una formiga individual espera a l'altra parella per a la cooperació si l'objecte a transportar és massa pesat. Sota els mateixos robots lleugers, l’eixam fa que les coses funcionin de la mateixa manera que cada robot té l’avantatge d’obtenir la cooperació dels altres robots per transportar els objectes. S-bots ofereix una gran plataforma per resoldre el problema del transport, on s’ajunten per cooperar i el seu algorisme augmenta si l’objecte que s’ha de transportar és pesat.

L’altre mètode és el transport col·lectiu d’objectes on els objectes es recullen i s’emmagatzemen per transportar-los posteriorment; aquí els robots tenen dues tasques diferents: recollir els objectes i col·locar-los en un carro i moure col·lectivament el carro que transporta aquests objectes.

Cartografia col·lectiva: la cartografia col·lectiva s’utilitza per a l’exploració i cartografia de grans zones interiors mitjançant un gran nombre de robots.

En un mètode, l'assignació la realitzen els dos grups de dos robots, que intercanvien informació per fusionar els mapes. L'altre mètode és basat en rols, en què el robot pot assumir qualsevol dels dos rols que es mouen o que són un punt de referència que poden canviar pel moviment de l'esquadró. A més, els robots tenen una determinada estimació de la seva posició, de manera que han de fer una estimació de la ubicació dels altres robots per construir un mapa col·lectiu.

L’aplicació del món real de la robòtica de l’eixam

Tot i que l’extensa investigació sobre robòtica d’eixam ha començat al voltant del 2012 fins ara, no ha sortit amb l’aplicació comercial del món real, s’utilitza amb finalitats mèdiques però no a gran escala i encara està en proves. Hi ha diverses raons per les quals aquesta tecnologia no surt comercialment.

Disseny d’algorismes per a l’individu i el global: el comportament col·lectiu de l’eixam surt de l’individu que requereix dissenyar un robot únic i el seu comportament, i actualment no existeix cap mètode per passar de l’individu al grup.

Proves i implementació: amplis requisits per als laboratoris i la infraestructura per al seu posterior desenvolupament.

Anàlisi i modelatge: les diverses tasques bàsiques realitzades en robòtica d’eixam suggereixen que no són lineals i, per tant, bastar els models matemàtics per al seu treball

A més d’aquests reptes, hi ha altres reptes de seguretat per a l’individu i l’eixam a causa del seu disseny senzill

(i) Captura física dels robots.

(ii) Identitat de l’individu de l’eixam, que el robot ha de saber si està interactuant amb un robot del seu eixam o amb un altre eixam.

(iii) Atacs de comunicació contra l’individu i l’eixam.

L’objectiu principal de la robòtica de l’eixam és cobrir una àmplia regió on els robots es puguin dispersar i realitzar les seves respectives tasques. Són útils per detectar esdeveniments perillosos com fuites, mines terrestres, etc. i el principal avantatge d’una xarxa de sensors distribuïda i mòbil és que pot detectar l’àrea extensa i fins i tot actuar sobre ella.

Les aplicacions de la robòtica de l’eixam són realment prometedores, però encara hi ha la necessitat del seu desenvolupament tant en la part algorítmica com en la de modelització.