[論文レビュー] Datom: A Deformable modular robot for building self-reconfigurable programmable matter

Benoît Piranda, Julien Bourgeois|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、面心立方格子（FCC）格子における自己再構成プログラマブルマターを対象に、連続的な接続を維持する形状変形による安全で故障のない再構成を可能にする、可変形状モジュラーロボットDatomを提案する。主な貢献は、同期された双方向変形を用いて任意の空き表面セルに到達可能な運動プロトコルの開発であり、勾配ベースの経路探索を用いたシミュレーションによる検証が行われた。

ABSTRACT

Moving a module in a modular robot is a very complex and error-prone process. Unlike in swarm, in the modular robots we are targeting, the moving module must keep the connection to, at least, one other module. In order to miniaturize each module to few millimeters, we have proposed a design which is using electrostatic actuator. However, this movement is composed of several attachment, detachment creating the movement and each small step can fail causing a module to break the connection. The idea developed in this paper consists in creating a new kind of deformable module allowing a movement which keeps the connection between the moving and the fixed modules. We detail the geometry and the practical constraints during the conception of this new module. We then validate the possibility of movement for a module in an existing configuration. This implies the cooperation of some of the modules placed along the path and we show in simulation that it exists a motion process to reach every free positions of the surface for a given configuration.

研究の動機と目的

• 運動中に切断が生じない安全で連続的な再構成を実現するミリスケールのモジュラーロボットの設計を目的とする。
• 従来のモジュラーロボットが順次接続・分離に依存するため、接続を失うリスクがあるという欠陥を是正することを目的とする。
• 移動モジュールが形状変形を通じてピボットモジュールに常に接続された状態を維持する運動メカニズムの開発を目的とする。
• 配置内にあるすべての空き表面セルが、有効で同期された変形の連鎖によって到達可能であることを保証することを目的とする。
• 障害物を含む複雑な配置における運動制御のための勾配ベースの経路探索アルゴリズムの実装と検証を目的とする。

提案手法

• 少なくとも1つの接続を維持しながら形状変形が可能な、大規模かつ多方向接続を有する可変形状モジュール（Datom）の設計。
• 低消費電力で微小化可能な静電気的アクチュエータの使用、並びに製造可能性を考慮した正確な角度および幾何的制約の定義。
• 2つの接続モジュールが協調して変形する双方向運動プロトコルの実装：一方のモジュールが古い接続を解放し、同時に接続が整列した新しい接続を形成する。
• 接続性を保持し、FCC格子内での段階的再配置を可能にするユニタリ運動ルールの定義。
• 目的セルからの距離値を用いて最短の運動シーケンスを計算する勾配ベースの経路探索アルゴリズムの開発。
• 障害物を含む格子モデルを用いたシミュレーションによる検証。経路探索と変形シーケンスが可視化され、検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC格子内での3次元再構成において、可変形状モジュラーロボットはピボットモジュールと常に永久に接続を維持できるか？
• RQ2 同期的変形による安全で故障のない運動を実現するための幾何的および駆動制約は何か？
• RQ3 有効で接続された運動ステップのみを用いて、複雑な配置内のすべての空き表面セルに到達可能か？
• RQ4 分散型経路探索アルゴリズムは、隣接モジュールと協調しながら移動モジュールを目的セルへ誘導できるか？
• RQ5 構造的障害物は、プログラマブルマター配置における運動の可能性と経路長にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 提示された運動プロトコルにより、FCC格子内での安全で連続的な再構成が、移動中でも少なくとも1つの接続を維持することで実現された。
• シミュレーション結果から、130個のDatomを含む配置内にあるすべての到達可能な表面セルが、勾配ベースの経路探索アルゴリズムによって到達可能であることが確認された。
• 1つの障害物（青色のDatomがアーチを1セルの高さに縮小）が存在する場合、最小経路距離が4ステップから8ステップに増加し、経路適応の有効性が示された。
• 2セルの高さを持つアーチでは経路が下を通過可能であり、1セルの高さのアーチでは経路が上を通過する必要があることから、動的経路再構成が可能であることが示された。
• アルゴリズムは運動シーケンスを正常に計算・実行でき、シミュレーションでは赤線として可視化され、分散的で協調的な運動の実現可能性が確認された。
• 定理2により、双方向運動の実現可能性が証明され、任意の到達可能なセルは、有効な運動ステップを用いて他の任意のセルから到達可能であることが保証された。