Introduzione alla robotica dello sciame

Interagire, capire e poi rispondere alla situazione sono alcune delle più grandi caratteristiche degli esseri umani e quelle sono le cose che ci rendono ciò che siamo. Siamo nati per vivere in una società sociale e abbiamo sempre saputo di noi che siamo la creatura sociale più educata conosciuta dalla creazione di questo pianeta.

La cultura sociale e l'interazione reciproca per aiutare per un obiettivo comune non si trovano solo negli esseri umani ma anche in altre specie di questo pianeta come uno stormo di uccelli o pesci o api, tutto ciò che hanno una cosa in comune che stanno avendo un comportamento collettivo. Quando gli uccelli migrano è spesso visto che sono in un gruppo che è guidato dal membro principale del loro gruppo e tutti li stanno seguendo e il loro gruppo è progettato in una particolare forma geometrica nonostante siano gli uccelli non hanno il senso delle forme e delle figure e anche il gruppo è fatto in modo che i membri più anziani del gruppo siano sui confini mentre i giovani oi neonati sono al centro.

Le stesse caratteristiche si trovano nelle formiche del fuoco, queste formiche sono un po 'diverse dalle altre specie di formiche e sono note soprattutto per il loro comportamento di gruppo, costruiscono insieme, mangiano insieme e difendono le loro colonie dalle prede insieme, in fondo lo sanno possono ottenere di più quando sono in un gruppo. È stato condotto uno studio recente sul comportamento di gruppo di queste formiche in cui si è scoperto che erano in grado di creare strutture forti ogni volta che fosse necessario, ad esempio quando necessario per creare un piccolo ponte per il crossover.

Il comportamento collettivo di questi animali sociali e l'aiuto degli insetti li aiuta a ottenere di più nonostante tutti i loro vincoli. I ricercatori hanno dimostrato che gli individui di questi gruppi non hanno bisogno di alcuna rappresentazione o conoscenza sofisticata per produrre comportamenti così complessi. Negli insetti sociali, gli animali e gli uccelli gli individui non sono informati sullo stato globale della colonia. La conoscenza dello sciame è distribuita a tutti gli agenti, dove un individuo non è in grado di svolgere il suo compito senza il resto dello sciame. E se questo rilevamento collettivo potesse essere portato in un gruppo di robot? Questo è ciò che è la robotica dello sciame e lo impareremo in dettaglio in questo articolo .

Robot come parte di uno sciame

Il nostro ambiente in cui viviamo è molto stimolante per noi, molti di noi prendono ispirazione per il loro lavoro dalla natura e dall'ambiente, famosi inventori come Leonardo da Vinci lo hanno fatto molto bene e possono essere visti nei suoi disegni nel mondo di oggi che abbiamo stanno anche facendo funzionare lo stesso processo per noi per risolvere i problemi di progettazione e ingegneria come il naso dei treni proiettile si ispira al becco del martin pescatore in modo che abbia più velocità ed essere più efficiente dal punto di vista energetico e produca relativamente meno rumore mentre passa attraverso i tunnel e c'è un termine coniato per questo ed è noto come biomimetica.

Quindi per risolvere i compiti complessi in cui l'intervento umano è difficile e ha una maggiore complessità di ciò che deve essere più di un semplice robot medio come alcuni casi d'uso in cui un edificio è crollato a causa di un terremoto e le persone sono depresse sotto il cemento, sicuramente questo problema richiede una sorta di robot che può eseguire più attività contemporaneamente e abbastanza piccolo da superare il cemento e aiuta a ottenere le informazioni dell'esistenza umana in primo luogo, quindi quello che ti viene in mente, un gruppo di piccoli robot che sono piccoli abbastanza e autonomamente creano la propria strada e ottengono le informazioni e certamente imita una specie di sciame di insetti o mosche e quindi dove la robotica dello sciame viene al primo posto ed ecco quella più formale. Robotica dello sciameè un campo della multi-robotica in cui un gran numero di robot sono coordinati in modo distribuito e decentralizzato. si basa sull'uso di regole locali, piccoli robot semplici ispirati al comportamento collettivo degli insetti sociali in modo che un gran numero di robot semplici possa superare un compito complesso in modo più efficiente di un singolo robot, dando robustezza e flessibilità al gruppo.

Organizzazioni e gruppo emergono dalle interazioni tra gli individui e tra gli individui e l'ambiente circostante, queste interazioni sono sparse in tutta la colonia e così la colonia può risolvere compiti difficili da risolvere da un solo individuo, il che significa lavorare per un obiettivo comune.

Come Swarm Robotics si ispira a Social Insects

I sistemi multi-robotici mantengono alcune delle caratteristiche dell'insetto sociale come la robustezza, lo sciame robotico può funzionare anche se alcuni individui falliscono o ci sono interruzioni nell'ambiente circostante; flessibilità, gli sciami sono in grado di creare diverse soluzioni per compiti diversi e sono in grado di cambiare ogni ruolo di robot a seconda delle necessità del momento. Scalabilità, lo sciame di robot è in grado di lavorare in diverse dimensioni di gruppo, da pochi individui a migliaia di loro.

Caratteristiche di Robot Swarm

Come detto il semplice sciame robotico acquisisce una caratteristica di insetti sociali che vengono elencati di seguito

1. Lo sciame di robot deve essere autonomo e in grado di percepire e agire in un ambiente reale.

2. Il numero di robot in uno sciame deve essere abbastanza grande da supportare ogni loro singola attività come un gruppo che sono tenuti a svolgere.

3. Ci dovrebbe essere omogeneità nello sciame, ci possono essere diversi gruppi nello sciame ma non dovrebbero essere troppi.

4. Un singolo robot dello sciame deve essere incapace e inefficiente rispetto al loro obiettivo principale, cioè devono collaborare per avere successo e migliorare le prestazioni.

5. È necessario che tutti i robot abbiano solo capacità di rilevamento e comunicazione locali con il partner vicino dello sciame, questo assicura che il coordinamento dello sciame sia distribuito e la scalabilità diventi una delle proprietà del sistema.

Sistemi multi-robotici e Swarm Robotics

La robotica dello sciame è una parte del sistema multi-robotico e come gruppo, hanno alcune caratteristiche ai loro assi multipli che definiscono il loro comportamento di gruppo

Dimensione collettiva: la dimensione collettiva è SIZE-INF che è N >> 1 che è opposta a SIZE-LIM, dove il numero di N del robot è inferiore alle rispettive dimensioni dell'ambiente in cui vengono inseriti.

Raggio di comunicazione: il raggio di comunicazione è COM-NEAR, in modo che i robot possano comunicare solo con i robot che sono abbastanza vicini.

Topologia di comunicazione: la topologia di comunicazione per i robot nello sciame sarebbe generalmente TOP-GRAPH, i robot sono collegati in una topologia a grafo generale.

Larghezza di banda di comunicazione: la larghezza di banda di comunicazione è BAND-MOTION, il costo di comunicazione tra i due robot è lo stesso dello spostamento dei robot tra le posizioni.

Riconfigurabilità collettiva: la riconfigurabilità collettiva è generalmente ARR-COMM, questo è un accordo coordinato con i membri che comunicano, ma potrebbe anche essere ARR-DYN, cioè la disposizione dinamica, le posizioni possono cambiare casualmente.

Capacità di processo: la capacità di processo è PROC-TME, dove il modello computazionale è l'equivalente di una macchina di sintonizzazione.

Composizione collettiva: la composizione collettiva è CMP-HOM, il che significa che i robot sono omogenei.

Vantaggi dei sistemi multi-robotica rispetto a un singolo robot

• Parallelismo delle attività: sappiamo tutti che le attività potrebbero essere scomponibili e siamo tutti consapevoli del metodo di sviluppo agile, quindi utilizzando il parallelismo, i gruppi possono eseguire l'attività in modo più efficiente.
• Abilitazione dei compiti: un gruppo è più potente di uno singolo e lo stesso vale per la robotica dello sciame, in cui un gruppo di robot può far eseguire a un compito determinati compiti che sono impossibili per un singolo robot
• Distribuzione nel rilevamento: poiché lo sciame ha un rilevamento collettivo, ha una gamma di rilevamento più ampia rispetto alla portata di un singolo robot.
• Distribuzione in azione: un gruppo di robot può attuare azioni diverse in luoghi diversi contemporaneamente.
• Tolleranza agli errori: il fallimento di un singolo robot all'interno di uno sciame di robot all'interno di un gruppo non implica che il compito fallirà o non potrà essere portato a termine.

Piattaforme sperimentali in Swarm Robotics

Esistono diverse piattaforme sperimentali utilizzate per la robotica dello sciame che prevede l'uso di diverse piattaforme sperimentali e diversi simulatori robotici per stimolare l'ambiente della robotica dello sciame senza l'hardware necessario.

1. Piattaforme robotiche

Diverse piattaforme robotiche vengono utilizzate in diversi esperimenti di robotica in diversi laboratori

(i) Swarmbot

Sensori utilizzati: ha vari sensori per aiutare il bot che include sensori di portata e fotocamera.

Movimento: utilizza le ruote per spostarsi dall'uno all'altro.

Sviluppato da: È sviluppato dalla Rice University, USA

Descrizione: SwarmBot è una piattaforma robotica swarm sviluppata per la ricerca dalla Rice University. Può funzionare in autonomia per circa 3 ore con una singola carica, inoltre questi bot sono auto abilitati per trovarsi e agganciarsi a colonnine di ricarica poste sui muri.

(ii) Kobot

Sensori utilizzati: prevede l'uso del sensore di distanza, dei sensori di visione e della bussola.

Movimento: utilizza le ruote per il loro movimento

Sviluppato da: È sviluppato nel KOVAN Research Lab della Middle East Technical University, Turchia.

Descrizione: Kobot è progettato specificamente per la ricerca nella robotica degli sciami. È composto da diversi sensori che lo rendono una piattaforma perfetta per eseguire varie situazioni robotiche di sciame come il movimento coordinato. Può funzionare autonomamente per 10 ore con una singola carica. Include anche una batteria sostituibile che deve essere ricaricata manualmente ed è stata utilizzata principalmente nella realizzazione di scenari auto-organizzati.

(iii) S-bot

Sensori utilizzati: utilizza vari sensori per far funzionare le cose come sensori per luce, IR, posizione, forza, velocità, temperatura, umidità, accelerazione e un microfono.

Movimento: fa uso di alberi attaccati alla sua base per i suoi movimenti.

Sviluppato da: È sviluppato dall'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Svizzera.

Descrizione: S-bot è una delle numerose piattaforme robotiche sciame competenti e sostanziali mai costruite. ha un design unico della pinza in grado di afferrare oggetti e altri s-bot. Inoltre, possono funzionare per circa 1 ora con una singola carica.

(iv) Jasmine Robot

Sensori utilizzati: utilizza sensori di distanza e di luce.

Sviluppato da: È sviluppato dall'Università di Stoccarda, in Germania.

Movimento: fa il suo movimento sulle ruote.

Descrizione: Jasmine mobile robots è uno sciame di piattaforme robotiche che viene utilizzato in molte ricerche robotiche di sciame.

(v) E-Puck

Sensori utilizzati: utilizza una varietà di sensori come distanza, fotocamera, rilevamento, accelerazione e microfono.

Sviluppato da: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Svizzera

Movimento: si basa sul movimento delle ruote.

Descrizione: E-puck è progettato principalmente per scopi educativi ed è uno dei robot di maggior successo. Tuttavia, per la sua semplicità, viene spesso impiegato anche nella ricerca sulla robotica degli sciami. Dispone di batterie sostituibili dall'utente con un tempo di lavoro di 2-4 ore.

(vi) Kilobot

Sensori utilizzati: utilizza una combinazione di sensori di distanza e di luce.

Sviluppato da: Harvard University, USA

Movimento: utilizza le vibrazioni del sistema per il movimento del corpo del sistema.

Descrizione: Kilobot è una piattaforma robotica sciame moderatamente recente con una funzione unica di ricarica di gruppo e programmazione di gruppo. Grazie alla sua semplicità e al basso consumo energetico, ha un tempo di attività fino a 24 ore. I robot vengono caricati manualmente in gruppi in un'apposita stazione di ricarica.

2. Simulatori

I simulatori robotici risolvono il problema dell'hardware necessario per il compito di testare la credibilità dei bot nei parametri dell'ambiente reale simulati artificialmente.

Esistono molti simulatori robotici che possono essere utilizzati per esperimenti multi-robotici, e più specificamente per gli esperimenti robotici swarm e tutti differiscono per i loro aspetti tecnici ma anche per la licenza e il costo. Alcuni dei simulatori per i robot swarm e le piattaforme multi-robotiche sono i seguenti:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D è un simulatore per la multi-robotica ma progettato specificamente per il robot S-Bot del progetto SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: lo studio robotico è un simulatore sviluppato da Microsoft. Consente la simulazione multi-robotica e richiede l'esecuzione della piattaforma Windows.
• Webots: Webots è un simulatore mobile realistico che consente simulazioni multi-robot, con modelli già costruiti dei robot reali. Può simulare collisioni reali applicando la fisica del mondo reale. Tuttavia, le sue prestazioni diminuiscono quando si lavora con più di robot rendendo difficili le simulazioni con un gran numero di robot.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo è un simulatore open source con funzionalità multi-robotiche e un'ampia gamma di robot e sensori disponibili pronti per l'uso. Può gestire bene le simulazioni degli esperimenti di robotica in un ambiente 2D con ottimi risultati. La dimensione della popolazione nell'ambiente può scalare fino a 1000 semplici robot in tempo reale.

Algoritmi e tecnica utilizzati per vari compiti in Swarm Robotics

Qui esploreremo le varie tecniche utilizzate nella robotica dello sciame per vari compiti semplici come l'aggregazione, la dispersione, ecc. Questi compiti sono i passaggi iniziali di base per tutto il lavoro di fascia alta nella robotica dello sciame.

Aggregazione: l' aggregazione sta riunendo tutti i robot ed è davvero importante e il passo iniziale in altri passaggi complessi come la formazione di modelli, l'autoassemblaggio, lo scambio di informazioni e i movimenti collettivi. Un robot utilizza i suoi sensori come sensori di prossimità e microfono che utilizza meccanismi di scambio del suono con l'aiuto dell'attuatore come gli altoparlanti. I sensori aiutano un singolo bot a trovare il robot più vicino che risulta essere anche il centro del gruppo, dove il bot deve concentrarsi esclusivamente sull'altro bot che è al centro del gruppo e raggiungere verso di esso e lo stesso processo è seguito da tutti i membri dello sciame che li lascia aggregare tutti.

Dispersione: quando i robot sono aggregati in un unico posto, il passo successivo è quello di disperderli nell'ambiente in cui lavorano come un unico membro costituente dello sciame e questo aiuta anche nell'esplorazione dell'ambiente ogni bot dello sciame si risolve come un unico sensore quando si lascia esplorare. Vari algoritmi sono stati proposti e utilizzati per la dispersione dei robot, uno degli approcci include il potenziale algoritmo di campo per la dispersione dei robot in cui i robot vengono respinti dagli ostacoli e altri robot che consentono all'ambiente dello sciame di disperdersi linearmente.

Uno degli altri approcci prevede la dispersione basata sulla lettura dei segnali di intensità wireless, i segnali di intensità wireless consentono ai robot di disperdersi all'insaputa dei loro vicini più prossimi, catturano semplicemente le intensità wireless e le dispongono in modo da disperderle nell'ambiente circostante.

Formazione di modelli: la formazione di modelli nella robotica dello sciame è una caratteristica importante del loro comportamento collettivo, questi modelli possono essere di grande aiuto quando si deve risolvere un problema che coinvolge l'intero gruppo che lavora insieme. Nella formazione di modelli, i bot creano una forma globale modificando la parte dei singoli robot in cui ogni bot ha solo informazioni locali.

Uno sciame di robot forma una struttura con una forma definita interna ed esterna. Le regole che fanno aggregare la particella / robot nella formazione desiderata sono locali, ma emerge una forma globale, senza avere alcuna informazione globale rispetto a un singolo membro dello sciame. L'algoritmo utilizza molle virtuali tra le particelle vicine, prendendo in considerazione quanti vicini hanno.

Movimento collettivo: qual è il significato di una squadra se non riescono a risolvere il problema insieme e questa è la parte migliore di uno sciame? Il movimento collettivo è un modo per far coordinare un gruppo di robot e farli muovere insieme come un gruppo in modo coeso. È un modo semplice per svolgere alcuni compiti collettivi e può essere classificato in due tipi di formazione e floccaggio.

Esistono molti metodi di movimento collettivo, ma solo quelli che consentono la scalabilità con un numero crescente di robot sono fonte di preoccupazione in cui ogni robot riconosce la posizione relativa del suo vicino e reagisce con le rispettive forze che potrebbero essere attraenti o repulsive per formare strutture per i movimenti collettivi.

Assegnazione dei compiti: l'allocazione dei compiti è un'area problematica nella robotica dello sciame sulla base della divisione del lavoro. Tuttavia, ci sono vari metodi utilizzati per la divisione del lavoro, uno di questi è che ogni robot tiene un'osservazione sui compiti di altri robot e mantiene la cronologia per lo stesso e in seguito può cambiare il proprio comportamento per adattarsi al compito, questo metodo si basa sulla comunicazione gossip e sicuramente ha i suoi pro di prestazioni migliori ma allo stesso tempo ha un contro che a causa della limitata robustezza e perdita di pacchetti durante la comunicazione risulta essere meno scalabile. Nell'altro metodo, i compiti vengono annunciati da alcuni robot e un certo numero di altri robot li assistono contemporaneamente, è un metodo semplice e reattivo.

Ricerca di una fonte: la robotica Swarm ha molto successo nel compito della ricerca della fonte, specialmente quando la fonte per la ricerca è complessa come nel caso del suono o dell'odore. La ricerca da parte della robotica dello sciame viene eseguita in due modi: uno è globale, l'altro è locale e la differenza tra i due è la comunicazione. Uno con la comunicazione globale tra i robot in cui i robot sono in grado di trovare la massima fonte globale. L'altro è limitato alla sola comunicazione locale tra i robot per trovare i massimi locali.

Trasporto di oggetti: Le formiche hanno il trasporto collettivo di oggetti in cui una singola formica attende l'altra compagna per la cooperazione se l'oggetto da trasportare è troppo pesante. Sotto gli stessi robot leggeri, lo sciame fa funzionare le cose nello stesso modo in cui ogni robot ha il vantaggio di ottenere la collaborazione degli altri robot per il trasporto degli oggetti. Gli S-bot offrono un'ottima piattaforma per risolvere il problema del trasporto in cui si autoassemblano per cooperare e il loro algoritmo aumenta se l'oggetto da trasportare è pesante.

L'altro metodo è il trasporto collettivo di oggetti in cui gli oggetti vengono raccolti e conservati per il successivo trasporto, qui i robot hanno due compiti diversi: raccogliere gli oggetti e metterli in un carrello e spostare collettivamente il carrello che trasporta quegli oggetti.

Mappatura collettiva: la mappatura collettiva viene utilizzata per l'esplorazione e la mappatura delle grandi aree interne utilizzando un gran numero di robot.

In un metodo la mappatura viene eseguita dai due gruppi di due robot, che si scambiano informazioni per unire le mappe. L'altro metodo è basato sul ruolo in cui il robot può assumere uno qualsiasi dei due ruoli che si muovono o punto di riferimento che possono scambiare per il movimento dello sciame. Inoltre, i robot hanno una certa stima della loro posizione, quindi devono una stima della posizione degli altri robot in modo da costruire una mappa collettiva.

L'applicazione nel mondo reale di Swarm Robotics

Sebbene la ricerca approfondita sulla robotica dello sciame sia iniziata intorno al 2012 fino ad ora, non è uscita con l'applicazione commerciale del mondo reale, viene utilizzata per scopi medici ma non su larga scala ed è ancora in fase di test. Ci sono vari motivi alla base del fatto che questa tecnologia non è disponibile in commercio.

Progettazione di algoritmi per l'individuo e il globale: il comportamento collettivo dello sciame deriva dall'individuo che richiede di progettare un singolo robot e il suo comportamento, e attualmente non esiste alcun metodo per passare dall'individuo al comportamento di gruppo.

Test e implementazione: requisiti estesi per i laboratori e infrastrutture per ulteriori sviluppi.

Analisi e modellazione: i vari compiti di base svolti nella robotica dello sciame suggeriscono che questi non sono lineari e quindi costruire i modelli matematici per il loro lavoro è piuttosto difficile

Oltre a queste sfide, ci sono ulteriori sfide alla sicurezza per l'individuo e lo sciame a causa del loro design semplice

(i) Cattura fisica dei robot.

(ii) Identità dell'individuo nello sciame, che il robot deve sapere se sta interagendo con un robot del suo sciame o un altro sciame.

(iii) Attacchi di comunicazione all'individuo e allo sciame.

L'obiettivo principale della robotica dello sciame è quello di coprire un'ampia regione in cui i robot potrebbero disperdersi ed eseguire i rispettivi compiti. Sono utili per rilevare eventi pericolosi come perdite, mine terrestri ecc. E il vantaggio principale di una rete di sensori distribuita e mobile è che può rilevare l'ampia area e persino agire su di essa.

Le applicazioni della robotica swarm sono davvero promettenti ma c'è ancora bisogno del suo sviluppo sia nella parte algoritmica che in quella di modellazione.