[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了Datom，一种可变形模块化机器人，专为面心立方（FCC）晶格中的自重构可编程物质而设计。通过在运动过程中同步相邻模块的形状变形，实现连续连接，Datom确保了安全、无故障的重构。其主要贡献是一种运动协议，允许模块通过协调的双向形变，经由一系列有效步骤抵达任意自由表面单元，该协议通过基于梯度的路径规划仿真得到验证。

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.

研究动机与目标

• 设计一种毫米级模块化机器人，实现在可编程物质中安全、连续的重构，且在运动过程中不会断开连接。
• 解决传统模块化机器人运动方式易出故障的问题，其依赖顺序的连接/断开操作，存在连接丢失的风险。
• 开发一种运动机制，使移动模块通过形状变形始终与一个固定模块保持连接。
• 确保配置中每个自由表面单元均可通过一系列有效、同步的形变步骤被抵达。
• 实现并验证一种基于梯度的路径规划算法，用于在复杂、含障碍物的配置中进行运动控制。

提出的方法

• 设计一种可变形模块（Datom），配备大尺寸、多方向连接器，可在保持至少一个连接的前提下实现形状变形。
• 采用静电驱动实现低功耗、微型化运动，并为可制造性定义精确的角向与几何约束。
• 实施一种双向运动协议，其中两个相连模块协同形变：一个释放旧连接，同时通过对齐的连接器形成新连接。
• 定义统一的运动规则，以保持连接性，并实现在FCC晶格中的逐步重新定位。
• 开发一种基于梯度的路径规划算法，利用目标单元的距离值计算最短运动序列。
• 通过晶格模型仿真验证，其中路径规划与形变序列被可视化并确认。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FCC晶格中进行三维重构时，可变形模块化机器人能否在运动过程中与固定模块保持永久连接？
• RQ2 为实现通过同步形变实现的安全、无故障运动，需要哪些几何与驱动约束？
• RQ3 是否可以通过仅使用有效、连接的运动步骤，抵达复杂配置中的每一个自由表面单元？
• RQ4 如何设计一种去中心化的路径规划算法，引导移动模块抵达目标单元，同时确保与邻近模块的协调？
• RQ5 结构障碍物对可编程物质配置中运动可行性与路径长度有何影响？

主要发现

• 所提出的运动协议通过在整个运动过程中保持至少一个连接，实现了在FCC晶格中的安全、连续重构。
• 仿真结果证实，在130个Datom的配置中，所有可抵达的表面单元均可通过基于梯度的路径规划算法访问。
• 当存在单个障碍物（一个蓝色Datom将拱形结构降低至单层高度）时，最小路径距离从4步增加到8步，表明路径具备自适应能力。
• 在两层高的拱形结构中，路径可从下方通过；而在单层高的拱形结构中，路径必须从上方绕过，展示了动态路径重构能力。
• 该算法成功计算并执行了运动序列，仿真中以红线可视化，证实了去中心化、协调运动的可行性。
• 系统展示了双向运动的可行性，如定理2所证明，确保任何可达单元均可通过有效运动步骤从任意其他单元抵达。