[论文解读] SMORES-EP, a Modular Robot with Parallel Self-assembly

Chao Liu, Qian Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2021

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于 SMORES-EP 模块化机器人的并行自组装框架，通过优化模块分配和并发对接动作，实现了高效、鲁棒的运动链拓扑构建。混合控制架构——低层控制采用分布式，高层规划采用集中式——在硬件和仿真中均成功实现了自组装，保证了对接成功率，并通过并行执行显著提升了速度。

ABSTRACT

Self-assembly of modular robotic systems enables the construction of complex robotic configurations to adapt to different tasks. This paper presents a framework for SMORES types of modular robots to efficiently self-assemble into tree topologies. These modular robots form kinematic chains that have been shown to be capable of a large variety of manipulation and locomotion tasks, yet they can reconfigure using a mobile reconfiguration. A desired kinematic topology can be mapped onto a planar pattern with optimal module assignment based on the modules' locations, then the mobile reconfiguration assembly process can be executed in parallel. A docking controller is developed to guarantee the success of docking processes. A hybrid control architecture is designed to handle a large number of modules and complex behaviors of each individual, and achieve efficient and robust self-assembly actions. The framework is demonstrated in both hardware and simulation on the SMORES-EP platform.

研究动机与目标

• 为解决高效自组装模块化机器人以形成复杂、任务特定的运动拓扑结构的挑战。
• 实现对接动作的并行执行，以减少大型模块化机器人系统中的组装时间。
• 在物理约束和硬件限制下，确保可靠且精确的对接。
• 开发一种可扩展的控制架构，在分布式执行与集中式规划之间取得平衡，以应对复杂的重构任务。
• 通过在 SMORES-EP 平台上的硬件和仿真实验，证明该框架的有效性。

提出的方法

• 求解一个任务分配问题，以最优方式将现有模块映射到目标配置位置，最小化总移动距离。
• 将自组装过程表述为一种并行算法，按目标拓扑中模块的深度顺序处理，从叶节点开始。
• 采用混合控制架构：每个模块本地处理低层控制和通信，而中央计算机负责位姿跟踪和高层规划。
• 通过专用对接控制器确保成功对接，通过管理运动和间隙，特别是在模块需重新定位以实现连接时。
• 通过将现有重构规划器（如 Liu et al., 2019）的顺序对接动作重新表述为并行自组装问题，复用了现有算法。
• 在运动和对接控制阶段显式建模物理约束，如执行器限制和模块间隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过并行执行对接动作来加速模块化机器人的自组装？
• RQ2 何种控制架构能够实现大量模块的高效协调，同时保持对接的可靠性？
• RQ3 如何计算最优模块分配以最小化自组装过程中的移动成本？
• RQ4 在物理约束和模块接近性限制运动的情况下，应采取何种策略以确保成功对接？
• RQ5 该框架能否应用于从任意初始构型重构为复杂的目标拓扑结构？

主要发现

• 并行自组装框架通过并发执行多个对接动作，显著缩短了组装时间。
• 混合控制架构在 SMORES-EP 硬件平台上实现了复杂自组装序列的鲁棒执行。
• 对接控制器成功管理了物理约束，即使在紧凑构型下也确保了高成功率。
• 该框架在仿真和硬件实验中均表现出有效的自组装能力，包括从行走构型重构为带机械臂的移动车辆构型。
• 该算法在更大结构上表现出良好的可扩展性，仿真结果表明通过少量算法调整，可处理任意大的三维拓扑结构。
• 该方法通过将顺序重构计划重新表述为并行自组装过程，实现了更快的自重构。