Des robots essaim à quatre pattes traversent un terrain difficile — ensemble

Au début de la quarantaine, le professeur de Notre-Dame et ingénieur en robotique Yasemin Ozkan-Aydin a utilisé le temps passé à la maison pour assembler des robots.

Ozkan-Aydin a développé des systèmes collaboratifs à pattes qui manœuvrent sur des terrains complexes, en équipe.

Pour se déplacer sur des terrains accidentés et dans des espaces restreints, Ozkan-Aydin a proposé qu'une connexion physique entre les robots puisse améliorer la mobilité. Si un robot individuel, par exemple, ne peut pas déplacer un objet par lui-même, pourquoi ne pas faire en sorte que les robots forment un système plus grand à plusieurs pattes pour accomplir la tâche ?

C'est ce que font les fourmis, après tout.

"Lorsque les fourmis collectent ou transportent des objets, si l'une rencontre un obstacle, le groupe travaille collectivement pour surmonter cet obstacle. S'il y a un espace dans le chemin, par exemple, ils formeront un pont pour que les autres fourmis puissent traverser - et c'est l'inspiration de cette étude », a déclaré Ozkan-Aydin dans un récent communiqué de presse . "Grâce à la robotique, nous sommes en mesure de mieux comprendre la dynamique et les comportements collectifs de ces systèmes biologiques et d'explorer comment nous pourrions utiliser ce type de technologie à l'avenir."

Avec une imprimante 3D, Ozkan-Aydin a construit des robots à quatre pattes mesurant de 15 à 20 centimètres de long.

Chaque robot comprenait une batterie au lithium polymère, un microcontrôleur et trois capteurs. En plus d'un capteur de lumière, deux capteurs tactiles magnétiques à l'avant et à l'arrière de chaque robot permettent aux systèmes de se connecter.

Quatre pieds flexibles ont réduit le besoin de capteurs et de pièces supplémentaires et ont donné aux robots un niveau d'intelligence mécanique, ce qui a aidé lors de l'interaction avec un terrain accidenté ou accidenté.

"Vous n'avez pas besoin de capteurs supplémentaires pour détecter les obstacles car la flexibilité des jambes aide le robot à les dépasser", a déclaré Ozkan-Aydin. «Ils peuvent tester les lacunes d'un chemin, en construisant un pont avec leur corps; déplacer des objets individuellement ; ou connectez-vous pour déplacer des objets collectivement dans différents types d'environnements, similaires aux fourmis. »

Ozkan-Aydin a commencé ses recherches pour l'étude au début de 2020, lorsqu'une grande partie du pays a été fermée en raison de la pandémie de COVID-19. Après avoir imprimé chaque robot, Ozkan-Aydin a testé les systèmes inspirés des insectes dans son jardin ou sur le terrain de jeu avec son fils.

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Le professeur Notre-Dame a mené des expériences sur une variété de terrains, à la fois naturels et manufacturés. Les robots ont manœuvré à travers et autour de l'herbe, du paillis, des feuilles et des glands, ainsi que des escaliers en mousse, des tapis à poils longs et le terrain accidenté de blocs de bois rectangulaires collés à des panneaux de particules.

Lorsqu'une unité individuelle est bloquée, elle envoie une lumière à des robots supplémentaires pour afficher une demande d'assistance. Lorsqu'ils détectent la lumière, les robots assistants se connectent et fournissent un soutien (une poussée lorsqu'ils marchent ensemble) pour réussir à franchir les obstacles tout en travaillant collectivement.

"Une fois que le robot assistant a trouvé le robot chercheur en suivant le gradient de lumière, il y est attaché par l'arrière et les capteurs tactiles des deux robots, et informe le robot de l'état de la connexion", a déclaré le professeur Ozkan-Aydin à . Fiches techniques .

L'équipe de recherche a récemment publié ses résultats dans Science Robotics .

Les recherches à venir porteront sur l'amélioration des capacités de contrôle, de détection et d'alimentation du système.

Dans un court Q&A avec Tech Briefs ci-dessous, Ozkan-Aydin explique ce que les essaims peuvent faire une fois ces fonctionnalités avancées.

Fiches techniques  : Comment fonctionnent les capteurs tactiles magnétiques ? Que font-ils, comment sont-ils contrôlés ?

Yasemin Ozkan-Aydin :Chaque robot est équipé de deux connecteurs magnétiques, qui comprennent deux aimants en terres rares au néodyme de polarité N-S, à l'avant et à l'arrière du robot. Le connecteur magnétique à l'arrière est fixé à la queue et sa polarité peut être inversée (S-N) en déplaçant la queue vers le haut. Ainsi, lorsque la queue est relevée, deux robots peuvent se connecter l'un à l'autre et lorsque la queue est abaissée, ils peuvent se détacher.

Fiches techniques : Lorsqu'un signal "aide" est envoyé à un robot, comment le robot d'aide sait-il quoi faire et quelles actions entreprendre ?

Yasemin Ozkan-Aydin :Le signal d'aide - allumer la lumière LED brillante à l'arrière du robot - est envoyé aux robots assistants lorsque le robot chercheur est bloqué dans des escaliers ou sur un terrain accidenté. Le [statut] bloqué est détecté par l'intensité lumineuse mesurée par le robot chercheur. Lorsque le robot est bloqué, il ne peut pas se déplacer vers la cible (source lumineuse) et l'intensité lumineuse ne change pas. Les robots assistants attendent toujours le signal du robot chercheur.

Bien sûr, il y a des limites à notre système. Par exemple, si un robot assistant tombe à l'extérieur du faisceau d'un robot chercheur, le robot assistant ne peut pas le trouver. Dans la conception future, la communication entre les robots devrait être améliorée en utilisant d'autres types de capteurs tels que le GPS. Cependant, à mesure que la complexité du système augmente, les robots deviennent plus difficiles à contrôler. Ici, l'intelligence mécanique joue un rôle important.

Fiches techniques :Qu'entend-on par « intelligence mécanique » ici ? Comment interagissent-ils exactement ? Que se passe-t-il lorsqu'un robot est accroché à un obstacle ? Comment un signal est-il envoyé aux robots supplémentaires ?

Yasemin Ozkan-Aydin :L'intelligence mécanique signifie qu'un mécanisme réagit à l'environnement, s'adapte à de nouvelles situations extérieures ou exécute automatiquement certaines fonctions sans aucun retour sensoriel ou guidage d'un contrôleur. Chaque robot a quatre pattes flexibles directionnellement et une queue. Lorsque la jambe, ou la queue, heurte un obstacle, elle se plie vers l'arrière et franchit les obstacles. Après avoir franchi l'obstacle, un ressort de rappel ramène la jambe à sa position d'origine. Cette flexion passive augmente également la zone de contact, ce qui permet à une jambe individuelle ou à la queue de faire face à un changement de rugosité du terrain, de perdre le contact avec le sol pendant la phase d'appui, ou de marcher ou de heurter un obstacle pendant la phase aérienne.

Tous les robots ont deux interrupteurs comme des capteurs tactiles pour détecter l'état de la connexion :un à l'avant et un à l'arrière du robot. Lorsque deux robots sont connectés, le poussoir en forme de dôme attaché à la queue touche à la fois les capteurs à la queue du robot avant et à la tête du robot arrière. Bien qu'il n'y ait pas de communication de haut niveau (par exemple, envoi de coordonnées GPS sans fil) entre les robots, les capteurs tactiles permettent à chaque robot de savoir s'il est connecté aux autres robots. Outre les capteurs tactiles, il y a un capteur de lumière, ou phototransistor, à la partie inférieure avant de chaque robot. Ce capteur est utilisé pour mesurer l'intensité lumineuse de l'environnement et pour fournir une communication locale entre les robots.

Fiches techniques  :Pourriez-vous amplifier une ou deux des applications pratiques du monde réel :que pourrait accomplir l'essaim et comment ?

Yasemin Ozkan-Aydin  :Un essaim de robots à pattes peut effectuer des tâches coopératives dans le monde réel telles que des opérations de recherche et de sauvetage, des applications agricoles (comme la plantation et la récolte, la surveillance de l'environnement et l'inspection des cultures, etc.), le transport collectif d'objets et l'exploration spatiale.

Fiches techniques  :En ce qui concerne leur alimentation, pourriez-vous imaginer une sorte de récupération d'énergie, par exemple, basée sur le mouvement ?

Yasemin Ozkan-Aydin :C'est un point très important qui doit être amélioré dans la conception future. Peut-être qu'un mécanisme de récupération d'énergie (comme des matériaux piézoélectriques) peut être attaché aux jambes des robots, et ils peuvent récolter de l'énergie pendant la marche, ou chaque robot peut avoir un panneau solaire pour charger ses batteries. Une autre option est qu'un seul des robots peut être équipé d'un mécanisme de récupération d'énergie, pour réduire le coût total, et qu'il peut transmettre la puissance aux autres robots.

Fiches techniques :Qu'est-ce qui a inspiré cet effort, en particulier les modèles naturels ?

Yasemin Ozkan-Aydin :Cette étude s'inspire d'animaux à plusieurs pattes, tels que les mille-pattes ou les mille-pattes, qui peuvent se déplacer efficacement sur divers terrains avec des corps et des membres flexibles et des collectifs de fourmis qui peuvent s'auto-organiser et créer des structures, telles que des ponts, pour résoudre des problèmes.

Fiches techniques  :Comment cherchez-vous à améliorer les robots ?

Yasemin Ozkan-Aydin :Actuellement, les robots sont contraints par une portée de communication limitée. Avec une meilleure communication entre les individus, nous nous attendons à ce que les unités (quadrupèdes) de l'essaim puissent se coordonner correctement et modifier leurs démarches en fonction des conditions environnementales ou des tâches qu'elles effectuent. De plus, les dimensions des robots peuvent être mises à l'échelle en fonction des tâches à effectuer.

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