Modüler robotik, robot tasarımının bir tek, sabit amaçlı makine inşa etmek yerine, standartlaştırılmış, geniş bir anatomiye uygun olarak yeniden yapılandırılabilir olan uydulardan kendilerini yeniden yapılandırabilecek şekilde bir paradigma değişikliği temsil eder.Bu makale, bir robotun şeklini hızlı bir şekilde değiştirme yeteneği, ortak boyut haline getiren faktörlerdir ve bu alanın arka planlarında yer alan omurga sorunlarıdır.

Yeniden yapılandırılabilir Mechanisms

Yeniden yapılandırılabilir bir mekanizma, robotun kendisi tarafından, yeniden yapılandırılması veya yedeklenmesi aracılığıyla işlevsel davranışı değiştirmek için kapasitesi ile tanımlanır.Proje zamanında sabit olan geleneksel mekanizmalardan farklı olarak, bu sistemler insan müdahale veya özel aletlere dönüştürülmek için kullanılır.

Yeniden yapılandırılabilir robotların tarihi, CEBOT (Cellular Robot) gibi erken modüler sistemlere geri döndü, 1980'lerde Tokyo Teknoloji Enstitüsü'nde daha sofistike tasarımları takip etti, PolyBot ve M-TRAN gibi daha sofistike tasarımları takip etti. Bu öncü projeler, bir avuç modül tipinin birbirine bağlanabilmesi ve hatta robot kollarına bağlı olarak hareket ettirebileceğine gösterdi.

Mechanisms için Anahtar Tasarım İlkeleri

Çeşitli ilkeler, etkili yeniden yapılandırılabilir mekanizmaların tasarımını, her bir denge arasındaki ticaret-offları, ağırlık, maliyet ve kullanım kolaylığına rehberlik eder.

modülerlik ve standartlaştırma

Gerçek modülerlik tüm modüllerin standart arabirimleri paylaşması gerekir - hem mekanik hem de elektriksel iletişim. Bu, herhangi bir iki modülün iç işlevlerine bakılmaksızın bağlantıya bağlanabilir.A well- tasarlanmış arabirimleri, astronotların uzay yürüyüşü sırasında farklı görevler için yapılandırmasına izin vermek için genellikle standartlaştırma araçları kullanır.

Yeniden yapılandırmanın Ease of Re configureduration

Yeniden yapılandırma, minimum çaba ve zaman ile uygulanabilir olmalıdır.Bu özellikle de otonom kendini yapılandıran için kritiktir, robotun insan yardımı olmadan şekil değiştirmesi gerekir. Operasyonların aşırı kuvvet veya karmaşık dizileri gerektiren zaman pratik değildir.]FLT:0Snap-fit bağlantıları).

Scalability

Bir modüler sistem her iki yönde ölçeklenebilir olmalıdır.Daha fazla modül eklemek, kontrol yazılımının yeniden tasarlanması veya yeniden tasarlanması gerekir. Tersine, modüllerin sayısını azaltmak, kalan sistemi işlevsel hale getirmek gerekir.Scalability, mekanik güç dağıtım ve iletişim bant genişliği için geçerlidir.

Robustness ve Yapısal Dürüstlük

Yeniden yapılandırılabilir eklemler, kaynaklanmış veya cıvatalı bağlantılardan doğal olarak daha zayıftır. Transient Yükler hareket sırasında beklenmedik streslere neden olabilir. Mühendisler kilit mekanizmasının top torklara ve güçlere dayanabilmesini sağlamalıdır. ”DÜcretsiz:0) Kırmızı yedekler [Dönderler[Dönderler)[Dönderler, yüksek çözünürlükte yüzeylere sahip olabilir ve aktif olarak yükleyiciler, sertlik korumak için kullanılan tekniklerdir.

Yeniden yapılandırılabilir Ortaklar ve Bağlantılar

modüler robotikte kullanılan çeşitli eklemler doğrudan ulaşılabilir konfigürasyonların aralıklarını etkiler. En yaygın türleri aşağıda tarif edilir.

Revolute Ortaklar (Rotary)

Revolute eklemler, modüllerin ayrı ayrı ayrı olabileceği için iki modüle izin verir. Robotik manipülatörlerde en yaygın tiplerdir ve sanatlı zincirler oluşturmak için gereklidir. modüler sistemlerde, ortaklar sürekli rotasyon için bazı tasarımları içermelidir. Birçok tasarımlar bağlantıları kapatılabilir bir kilitle bir dönen merkezi kilitleyebilir.

Prismatik Ortaklar (Linear)

Prismatik eklemler tek bir eksen boyunca uzatma ve sözleşme sağlar. Bunlar genellikle bir lider vida veya bir raf-ve-pinion sürücüsünden lineer hareket elemanlarının kompakt bir modüle girmesine izin vermekten daha az yaygındır, ancak borular veya telgraf kolları gibi genişleyen yapılar oluşturmak için paha biçilmezdir.

Universal Commons (Multi-Axis)

Evrensel eklemler, bir robotda iki veyangen rotasyonel eksenler sağlar, her eksende bir modüle yol açmasını sağlar.Bu, genellikle bir robotta "kneler" veya "wrists" olarak hareket eden modüller için faydalıdır. ancak, evrensel eklemler genellikle her eksende sınırlı bir dizi harekete sahiptir (örneğin ±30° ±45°) kendi kendine-interferenceden kaçınmak için.

Snap-Fit Bağlantıları

Snap-fit mekanizmaları hızlı manuel yeniden yapılandırma için popülerdir, özellikle eğitim kitleri ve tüketici robotlarda.Sürekleme sırasındaki boşlukları ve daha sonra kilitlenecek bir şekilde ortaya koyarlar. Hızlı ve araçsız olduklarında, makyajlar sınırlı yük kapasitesine sahiptir ve tekrarlanan döngüler sonra giyebilirler.

Elektromanyetik ve Manyetik Couplings

Manyetik konektörler otomatik hizalama sunar ve mekanik bir iletişim gerektirmez, onları sürekli olarak şarj etmek için ideal bir şekilde yapılandırın.ETHFLT:0)Electromagnets) Sürekli bir elektromanyetik darbe ile kullanan değişkenleri sağlar, ancak sürekli olarak güç kullanarak sürekli olarak çalışır.

Latching Mechanisms with Shape Memory Alloys

Nitinol gibi hafıza alaşımları (SMAs), ısıtıldığında şekli değiştirmek için eğitilebilir.Sürücük robotiklerde, küçük bir elektrik akımına başvurmak için açılan hafif latches oluşturmak için kullanılır. ana dezavantajlar yavaş hareketuation hız ve düşük sıcaklıkta azaltılır.Bu kısıtlamalara rağmen, SMAs, ağırlıkların kritik ve yeniden yapılandırılması gereken uzay uygulamaları için faydalıdır.

Yapılanabilir Modüller için Malzemeler ve Türler

Malzeme ve eylemciler seçimi, modüler bir robotun ağırlığı, gücü, hızı ve gücü tüketimini tanımlar, bunların hepsi yeniden yapılandırılabilirlik için kritiktir.

Yapısal Malzeme Malzemeleri

  • [FONT:0)Plastik (ABS, P Polikarbonat, Delrin): [DDDDDD-printed plastiklerin düşük olduğu prototipler ve eğitim kitleri için uygun olmayan hafif, hafif, indüktif ve kalıplar için uygundur.
  • [03.2015:0) DÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ
  • [FONT:0)Carbon Fiber Kompozitler:[Dönümüzde 1 °D) Aşırı sert ve hafif ama pahalı ve makineye zor.Her gram önemli olduğu yüksek performanslı kollarda ve uzayda çalışan yapılarda kullanılır.
  • [FONT:0)Titanium:[Dönetici:[Dönetici:0) Daha yüksek yoğunluk pahasına ve maliyet pahasına üstün güç ve korozyon direnci sunar.

Simülasyon Teknolojileri

Her bir modüldeki eylemciler hem iç eklem hareket hem de yeniden yapılandırma süreci kendi başına sürüyor.

  • [FONT:0)Servomotors:[Döneticileri:[Döneticileri:0)[Döneticileri:[Döneticileri: [Döneticileri: 0) Küçük to orta modüler robotlara yönelik iş birliği. Düşük hızda yüksek tok, yüksek tok, yüksek tok, yüksek toklar ile yüksek hıza kolayca kontrol edilebilir ve PWM veya dijital protokolleri aracılığıyla kontrol edilebilir. Heatload, birden çok servolar birlikte paketlenmişken limitli bir faktördür.
  • [FONT:0]Brushless DC Motors (BLDC): ), Daha yüksek verimlilik ve fırçalı motorlardan daha uzun bir yaşam gerektirir, ancak sürekli yüksek hızlı rotasyona ihtiyaç duyan modüllerde kullanılır.
  • [FONT:0)Pneumatic Eylemler: [Dönetici: 0,4][/off valfler ve ikili baskı) Basit bir kontrol ile yüksek güç sahibi olan hafif ve yüksek güç sahibi olan; güvenli, uyumlu bir hareket gerektiren uygulamalar için, dış hava tedarik sınırları tetherless operasyon için ihtiyaç.
  • [FONT:0)Shape Memory Alloys (SMAs): ) Daha önce belirtildiği gibi, SMAs hafif doğrusal veya geri dönüşlü hareketleyiciler olarak hareket edebilir. onların yavaş cevabı (~1-5 saniye) ve sınırlı tekrarlanabilirlik onları daha önce olmayan görevlerle sınırlandırabilir.
  • [FONT:0]Electroaktif polimerler (EAP): [Dönetici: 0,3) Bir gerilim uygulandığında ortaya çıkan veya genişletilen bir teknolojidir. EAPlar hala deneyseldir, ancak gelecekteki yeniden yapılandırılabilir mekanizmalar için kas benzeri bir davranış.

Modüler Robotik Robotikte Yeniden Yapınılabilir Mekanizmaların Uygulamaları

Yeniden yapılandırılabilir mekanizmalar, akademik laboratuvarların birden fazla endüstride pratik uygulamalara ötesine geçti. Aşağıda en umut verici alanlardan bazılarıdır.

Uzay Keşifleri

Uzay ajansları, kompakt bir formda başlatılabilecek modüler robotlarla ilgileniyor ve sonra farklı görevleri yerine getirmek için yörüngede yeniden yapılandırılıyor.TheETHFLT:0)NASA SuperBall) projesi, örneğin, daha büyük bir gözlemleyici veya çok işlevli bir platform oluşturmak için bir boşluk robotu araştırıyor.

Tıbbi Robotik

Ameliyatta, yeniden yapılandırılabilir cihazlar hastanın anatomisine veya prosedür türüne adapte edilebilir. Tek bir robot aracı, bir operasyon sırasında hızla yere kadar uzanan sert bir iğne sürücüsünden dönüşebilir.

Industrial Otomasyon

Fabrika katları giderek esnek montaj hatları için yeniden yapılandırılabilir kolları ve fikstürleri daha fazla kucaklar. yeni bir ürün tanıtıldığında tüm bir robotu yerine, modüler bir sistem, parmakların kataloglarından, üsleri genişleterek yeniden düzenlenebilir, genişletilebilir bağlantıları genişletebilir veya değiştirir.ENGT:0.Schunk'un modüler bir kavrama sistemi).

Eğitim ve Araştırma

LEGO Mindstorms ve VEX Robotics gibi eğitim robotları, mühendislik prensiplerini öğretmek için uzun süredir yeniden yapılandırılabilir mekanizmaları kullanmaktadır.In research Laboratories, such as theuron) Her robotu sıfırdan inşa etmek zorunda kalmadan hızlı prototyping sağlar.

Arama ve Kurtarma

Afet ortamları, rubble'den taramak için şekil değiştirebilecek robotlara ihtiyaç duyuyor, sularda yüzüyor veya farklı yapılandırmalar oluşturmak için yeniden ayarlanabilir yılanlar ve sentler, aynı modüllerden oluşan bir yığın ve vücut şeklini engeller. ”Ücretsiz Robot[DÜye Olmayanlar İçin Bir Takımlar)[DÜye Olmayanlar (Döneticileri)

Yeniden yapılandırma için Kontrol ve Yazılım Challenges

Mekanik tasarım çok önemli olsa da, yeniden yapılandırmayı yöneten yazılımlar eşit derecede önemlidir. Bir kritik yön, [[0) yapılandırıcı planlama[Dönetici: 1)[Dönetici ve istenen bir şekil verilen, sistem robotu kendi kendini yakalayan veya istikrarsızlığı olmadan hedef yapılandırmasına dönüştüren bağlantıların bir dizisini hesaplamalıdır.

Bir başka meydan okuma:0) Kendi kendine özgü bir teşhis ve adaptasyon[Dönetici: 1 ). Bir modül başarısız olduğunda, robot hasarlı modülleri tespit edebilir ve kendini bir çalışma olarak yeniden yapılandırır - altoptimal olsa bile - şekli bu yerel algılayın.

Birçok modüler robot, yeniden yapılandırma hızını doğrudan etkileyecektir. Gerçek zamanlı kısıtlamalar özellikle bir şekil değişikliği sırasında hareket etmesi gereken mekanizmalar için sıkıdır.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Araştırmacılar, yeniden yapılandırılabilir mekanizmaları daha yetenekli ve pratik hale getirecek birkaç yenilik üzerinde aktif olarak çalışmaktadır.

Akıllı Malzemeyi Kendi kendini Yeniden Tanımlayın

Bir elektrik sinyaline yanıt verme veya şekli değiştirebilecek malzemeler (örneğin magnetorheological sıvılar veya form hafıza polimerleri gibi) ayrı eylemciler ve latches için ihtiyaç ortadan kaldırılabilir. Akıllı malzemeden yapılmış bir modül, ne zaman güçlü ve yumuşak olabilir, kolayca yeniden şekillendirilmesine ve sonra yerinde kilitlenebilir.

In-Situ Reurment and Assembly

Örneğin, bir uzay robotu SMA latches ısıtmak için modüllerden enerji çekebilir. Dünya'da robotlar yerel hammaddeleri 3D baskı yeni konektörler veya modüller talep edilebilir.Bu, büyük bir yedek parça envanter için gerekli olan ihtiyacı azaltır.

Bütünleşik Sensing ve Localization

Komşu modüllerle ilgili kesin konumunu bilmek için bir modül yeteneği, otonom fikre sahip olmak için gereklidir. Yeni algılama yöntemleri - kapasiteye yakın sensörler, manyetik alan izleme, veya optik işaretleyiciler gibi - alt ayarlı ölçüm doğruluğu sağlayabilir. Birden fazla sensör modalitelerini birleştirin (örneğin, mesafe ve yönelim) daha hızlı ve daha güvenilir hale getirecektir.

Biyolojik olarak Yeniden yapılandırılabilir Yapılar

Doğa, proteinlerin katlanmasından birçok örnek sunar. Biyolojik olarak ilham verici tasarımlara, örneğin, yapısal bütünlüğü kaybetmeden, kompakt stilize mekanizmalarına () veya ) görecevlik yapılarına uygulanır.

Alanda Kalan Meydanlar

On yıllar süren ilerlemeye rağmen, birkaç temel engel çözülmemiş durumda. [Ücretsiz ticaret-off) belki de en ısrarlı: büyük yükleri desteklemek için yeterince güçlü ve yavaştır. Küçük bir mimari veya kablosuz güç aktarımında çalışan Micro-latches lineer olarak ölçeklendirme gerektirir.

[FONT:0]Cost[[DÜDÜT:1) ayrıca, sensörler, eylemciler, bir mikro kontrol cihazı ve sağlam bir bağlantı, yüzlerce dolara mal olabilir. 10 modül ile bir robot inşa etmek, tüketici elektronik endüstrisine benzer, maliyetleri azaltılabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

modüler robotlar için yeniden yapılandırılabilir mekanizmaların tasarımı, mekanik mühendisliği, malzeme bilimi, kontrol teorisi ve yazılımları birleştiren çok disiplinli bir meydan okumadır. Hafif malzemelerdeki gelişmeler, kompakt eylemciler ve akıllı kontroller, modüler sistemlerin geleneksel sınırlarını sürekli olarak aşmaktadır. Esnek, adapte edilebilir robotlar için talep uzay araştırmaları, ilaç, üretim ve felaket yanıtları ile yeniden yapılandırılabilir mekanizmalar giderek daha merkezi bir rol oynayacaktır. Araştırmacılar ve mühendisler ortak tasarımda yenilik yapmaya devam etmelidirler.

Konuyu daha fazla araştırmak isteyenler için, [[Dönetici|Döneticileri:0)NASA SuperBall projesi), yüksek çözünürlükte bulunan araştırmacıların çalışmalarında büyüleyici bir görünüm sunar.[Dönetici/önetici/önetici:2.IEEE Transactions on Robotics)