[논문 리뷰] Datom: A Deformable modular robot for building self-reconfigurable programmable matter

Benoît Piranda, Julien Bourgeois|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 07.

Modular Robots and Swarm Intelligence인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 면심정육면계(FCC) 격자에서 자기 재구성 가능한 프로그래머블 물질을 위한 탈형 모듈형 로봇인 Datom을 소개한다. 인접 모듈의 동기화된 형태 변형을 통해 운동 중에도 지속적인 연결을 가능하게 함으로써 Datom은 안전하고 실패 없는 재구성을 보장한다. 주요 기여는 한 모듈이 좌표화된 이중 방향 변형을 통해 어떤 자유 표면 세포로든 도달할 수 있도록 하는 운동 프로토콜을 개발한 것으로, 기울기 기반 경로 탐색을 통한 시뮬레이션으로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 운동 중에 연결이 끊기지 않는 안전하고 연속적인 재구성을 가능하게 하는 밀리미터 크기의 모듈형 로봇을 설계하는 것.
• 기존의 순차적 부착/해제 방식에 의존하는 전통적 모듈형 로봇의 고장 우려가 높은 운동 방식을 해결하는 것.
• 이동 중인 모듈이 형태 변형을 통해 고정 모듈과 영구적으로 연결되어 있도록 하는 운동 메커니즘을 개발하는 것.
• 구성에서 모든 자유 표면 세포가 유효하고 동기화된 변형 단계의 연속을 통해 도달 가능하도록 보장하는 것.
• 장애물이 포함된 복잡한 구성에서 운동 제어를 위한 기울기 기반 경로 탐색 알고리즘을 구현하고 검증하는 것.

제안 방법

• 최소한 하나의 연결을 유지하면서 형태 변형이 가능한 다방향 대형 커넥터를 갖춘 탈형 모듈(Datom)의 설계.
• 저전력, 소형화된 운동을 위한 전기적 작동력을 사용하며, 제조 가능성을 확보하기 위해 정밀한 각도 및 기하학적 제약 조건을 정의.
• 두 개의 연결된 모듈이 협동하여 변형하는 양방향 운동 프로토콜을 구현: 한 모듈은 이전 연결을 해제하면서 다른 모듈은 정렬된 커넥터를 통해 새로운 연결을 형성.
• 연결성을 유지하고 FCC 격자 내에서 점진적인 재배치가 가능한 단일 운동 규칙 정의.
• 목표 세포로부터의 거리 값을 사용하여 최단 운동 시퀀스를 계산하는 기울기 기반 경로 탐색 알고리즘 개발.
• 장애물이 포함된 격자 모델을 사용한 시뮬레이션 기반 검증으로, 경로 탐색 및 변형 시퀀스를 시각화하고 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC 격자에서 3차원 재구성 중에 탈형 모듈형 로봇이 고정 모듈과 영구적으로 연결을 유지할 수 있는가?
• RQ2 동기화된 변형을 통한 안전하고 실패 없는 운동을 가능하게 하기 위해 필요한 기하학적 및 작동 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 복잡한 구성에서 유효하고 연결된 운동 단계만을 사용하여 모든 자유 표면 세포에 도달할 수 있는가?
• RQ4 분산형 경로 탐색 알고리즘이 이웃 모듈과의 협동을 보장하면서 이동 모듈을 목표 세포로 안내할 수 있는가?
• RQ5 구조적 장애물은 프로그래머블 물질 구성에서 운동 가능성과 경로 길이에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 운동 프로토콜은 운동 전반에 걸쳐 최소한 하나의 연결을 유지함으로써 FCC 격자 내에서 안전하고 연속적인 재구성을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, 130개의 Datom으로 구성된 구성에서 도달 가능한 모든 표면 세포가 기울기 기반 경로 탐색 알고리즘을 통해 접근 가능하다고 확인되었다.
• 단일 장애물(파란 Datom이 아치를 한 칸 높이로 줄임) 존재 시 최소 경로 거리가 4단계에서 8단계로 증가하여 경로 적응이 가능함을 보여주었다.
• 두 칸 높이의 아치가 있는 구성에서는 경로가 아치 아래를 통과할 수 있고, 한 칸 높이의 아치가 있는 경우는 경로가 위로 가야 하므로, 동적 경로 재구성 가능성이 입증되었다.
• 알고리즘은 운동 시퀀스를 성공적으로 계산하고 실행하였으며, 시뮬레이션에서 빨간 선으로 시각화되어 분산형이고 협동적인 운동의 가능성 확인되었다.
• 이중 운동 가능성이 입증되었으며, 이는 정리 2에 의해 증명되었으며, 임의의 도달 가능한 세포로의 접근이 유효한 운동 단계를 통해 가능함을 보장한다.