Essaims de robots quadrupèdes collaboratifs : conquérir ensemble les terrains difficiles

Au début du confinement, la professeure de Notre Dame et ingénieure robotique Yasemin Ozkan-Aydin a utilisé le temps à la maison pour assembler des robots.

Ozkan-Aydin a développé des systèmes à pattes collaboratifs qui manœuvrent sur terrain complexe — en équipe.

Inspiration fourmis : connexion physique pour mobilité accrue

Pour se déplacer sur terrain accidenté et dans espaces étroits, Ozkan-Aydin a proposé qu'une connexion physique entre robots pourrait améliorer la mobilité. Si un robot individuel, par exemple, ne peut pas déplacer un objet seul, pourquoi ne pas avoir les robots former un système multi-pattes plus large pour accomplir la tâche ?

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

« Quand 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 gap dans le chemin, par exemple, elles forment un pont pour que les autres fourmis puissent traverser — et c'est l'inspiration pour cette étude », a dit Ozkan-Aydin dans un communiqué récent. « Par la robotique nous sommes capables de gagner une meilleure compréhension de la dynamique et comportements collectifs de ces systèmes biologiques et explorer comment nous pourrions utiliser ce genre de technologie dans le futur. »

Robots 3D imprimés : 15-20 cm, batterie Li-polymère, microcontrôleur, 3 capteurs

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

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

Quatre pattes flexibles réduisaient le besoin de capteurs et pièces additionnels et donnaient aux robots un niveau d'intelligence mécanique, ce qui aidait lors d'interactions avec terrain rugueux ou inégal.

« Vous n'avez pas besoin de capteurs additionnels pour détecter les obstacles car la flexibilité dans les pattes aide le robot à passer juste à côté », a dit Ozkan-Aydin. « Ils peuvent tester les gaps dans un chemin, construire un pont avec leurs corps ; déplacer des objets individuellement ; ou se connecter pour déplacer des objets collectivement dans différents types d'environnements, pas dissemblables aux fourmis. »

Expériences : jardin, terrain de jeu, terrains variés

Ozkan-Aydin a commencé sa recherche pour l'étude début 2020, quand une grande partie du pays était fermée dû à la pandémie COVID-19. Après avoir imprimé chaque robot, Ozkan-Aydin a testé les systèmes inspirés d'insectes dans son jardin ou au terrain de jeu avec son fils.

La professeure de Notre Dame a conduit des expériences sur une variété de terrains, naturels et manufacturés. Les robots ont manœuvré à travers et autour d'herbe, paillis, feuilles, et glands, ainsi que marches en mousse, moquette shag, et terrain rugueux de blocs rectangulaires en bois collés sur panneau de particules.

Signal d'aide par lumière, connexion magnétique, poussée collective

Quand une unité individuelle se coince, elle envoie une lumière à des robots additionnels pour montrer une demande d'assistance. En sentant la lumière, les robots assistants se connectent et fournissent du soutien — une poussée pendant qu'ils marchent ensemble — pour traverser les obstacles avec succès en travaillant collectivement.

« Après que le robot assistant trouve le robot chercheur en suivant le gradient de lumière, il s'attache à lui par l'arrière et les capteurs tactiles sur les deux robots, et informe le robot sur l'état de connexion », a dit Prof. Ozkan-Aydin à Tech Briefs.

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

Les recherches à venir se concentreront sur l'amélioration du contrôle, la détection et les capacités de puissance du système.

Q&A avec Tech Briefs

Comment fonctionnent les capteurs tactiles magnétiques ?

Yasemin Ozkan-Aydin : Chaque robot a deux connecteurs magnétiques, qui incluent deux aimants terres rares Néodyme avec polarité N-S, à l'avant et l'arrière du robot. Le connecteur magnétique à l'arrière est attaché à la queue et sa polarité peut être inversée (S-N) en bougeant la queue vers le haut. Donc, quand la queue est en haut, deux robots peuvent se connecter et quand la queue est en bas, ils peuvent se détacher.

Comment le robot assistant sait quoi faire ?

Yasemin Ozkan-Aydin : Le signal d'aide — allumer la LED brillante à l'arrière du robot — est envoyé aux robots assistants quand le robot chercheur se coince sur escaliers ou terrain rugueux. Le statut coincé est détecté par l'intensité lumineuse mesurée par le robot chercheur. Quand le robot se coince, il ne peut pas bouger vers la cible (source de lumière), et l'intensité lumineuse ne change pas. Les robots assistants attendent toujours le signal du robot chercheur.

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

Qu'est-ce que l'« intelligence mécanique » ?

Yasemin Ozkan-Aydin : L'intelligence mécanique signifie qu'un mécanisme répond à l'environnement, s'adapte à de nouvelles situations externes, ou effectue automatiquement certaines fonctions sans retour sensoriel ou guidance d'un contrôleur. Chaque robot a quatre pattes directionnellement flexibles et une queue. Quand la patte, ou la queue, heurte un obstacle, elle se plie vers l'arrière et franchit l'obstacle. Après avoir passé l'obstacle, un ressort de rappel ramène la patte à sa position originale. Cette flexion passive augmente aussi la zone de contact, ce qui permet à une patte individuelle ou la queue de gérer un changement de rugosité de terrain, perte de contact au sol pendant la phase d'appui, ou marcher sur ou heurter un obstacle pendant la phase aérienne.

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

Applications réelles : recherche/sauvetage, agriculture, transport objet, exploration spatiale

Yasemin Ozkan-Aydin : Essaim de robots à pattes peut effectuer des tâches coopératives réelles comme opérations de recherche et sauvetage, applications agriculture (plantation et récolte, surveillance environnementale et inspection cultures, etc.), transport d'objets collectifs, et exploration spatiale.

Récupération d'énergie : piézoélectrique sur pattes ou panneaux solaires ?

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

Inspiration : myriapodes et fourmis

Yasemin Ozkan-Aydin : Cette étude est inspirée par animaux multi-pattes, comme scolopendres ou mille-pattes, qui peuvent bouger efficacement en terrains divers avec corps et membres flexibles et collectifs de fourmis qui peuvent s'auto-organiser et créer des structures, comme ponts, pour résoudre des problèmes.

Améliorations futures : communication, dimensions évolutives

Yasemin Ozkan-Aydin : Actuellement, les robots sont contraints par une portée de communication limitée. Avec une communication améliorée entre individus, on s'attend que les unités (quadrupèdes) dans l'essaim puissent se coordonner proprement et changer leurs allures selon conditions environnementales ou tâches qu'ils effectuent. En plus, les dimensions des robots peuvent être mises à l'échelle selon les tâches à effectuer.

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