Σχεδίαση και ανάλυση ρομποτικής κατασκευής κυτταρικής μορφής

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ένα νέο ρομποτικό κύτταρο με όνομα R-Cell (Robotic Cell). Όπως σε όλα τα ρομποτικά κυτταρικά συστήματα, έτσι και στην περίπτωση αυτή, το ρομποτικό μας κύτταρο έχει τη δυνατότητα να συνδέεται με άλλα ρομποτικά κύτταρα με συγκεκριμένο τρόπο και τελικά να δημιουργεί μία ρομποτική κατασκευή κυτταρικής μορφής. Η τελική ρομποτική κατασκευή μπορεί να αλλάξει μορφή και λειτουργικότητα με επανατοποθέτηση των ρομποτικών κυττάρων στην εσωτερική της δομή. Το κυτταρικό ρομποτικό σύστημα που παρουσιάζεται αποτελείται από ένα μόνο τύπο ρομποτικών κυττάρων, γι' αυτό το λόγο θεωρείται <<ομοιογενές>>. Κάθε ρομποτικό κύτταρο έχει τετραγωνικό εξωτερικό σχήμα και χαρακτηρίζεται από τις εξής ιδιότητες: (α) έχει δυνατότητα μεταφορικής κίνησης, γεγονός που το κάνει αυτόνομο και ανεξάρτητο από άλλα κύτταρα και (β) έχει δυνατότητες παραμόρφωσης, δηλαδή αλλαγής του εξωτερικού του σχήματος. Οι τελευταίες αυτές δυνατότητες επιτρέπουν στο κύτταρο να <<παραμορφώνεται>> και να ασκεί δυνάμεις/ροπές σε διαφορετικές διευθύνσεις. Στην πραγματικότητα το ρομποτικό κύτταρο δραστηριοποιείται στο επίπεδο, άρα τελικά όλες οι κινήσεις και οι δυνάμεις βρίσκονται πάνω σε αυτό. Η δυνατότητα των ρομποτικών κυττάρων να μετακινούνται αυτόνομα επιτρέπουν στην τελική ρομποτική κατασκευή να συναρμολογείται αυτόματα. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται αυτόματη συναρμολόγηση (self-assembly). Εξίσου σημαντική είναι η ικανότητα της τελικής ρομποτικής κατασκευής να επιδιορθώνει τυχόν <<κατεστραμένα>> τμήματα της δομής με τοποθέτηση νέων κυττάρων σε αυτά. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται αυτόματη επιδιόρθωση (self-repair). Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι η τελική κυτταρική κατασκευή μπορεί να αλλάξει τη μορφή και το σχήμα της με δύο τρόπους. Ο πρώτος τρόπος είναι με αλλαγή της θέσης των ρομποτικών κυττάρων στην εσωτερική της δομή (reconfiguration), όπως δηλαδή συμβαίνει σχεδόν σε όλα τα είδη ρομποτικών κυτταρικών κατασκευών. Ο δεύτερος τρόπος είναι με παραμόρφωση των κυττάρων, άρα και της συνολικής ρομποτικής κατασκευής (deformation). Ο δεύτερος αυτός τρόπος, δηλαδή η δυνατότητα παραμόρφωσης, είναι και το πιο πρωτότυπο χαρακτηριστικό του ρομποτικού μας κυττάρου (R-Cell) σε σχέση με τα άλλα αντίστοιχα ρομποτικά κύτταρα, που έχουν κατά καιρούς σχεδιασθεί και αναπτυχθεί από διάφορους ερευνητές. Οι δυνατότητες παραμόρφωσης του κυττάρου επιτρέπουν και στην τελική κατασκευή να παραμορφώνεται σε αρκετά μεγάλο βαθμό, να τροποποιεί το σχήμα της ανάλογα με τις απαιτήσεις του προβλήματος και να ασκεί αλλά και να δέχεται δυνάμεις σε όλες τις δυνατές διευθύνσεις στο επίπεδο.

In this work, we introduce the concept of a novel robotic module, the <<R-Cell>>. R-Cell can be utilized in constructing distributed, homogeneous robotic systems. Each R-Cell is a rectangle endowed with: (a) motion capabilities provided by four revolutionary joints, each equipped with a clamping mechanism, and (b) deformation capabilities realized by four prismatic joints.The proposed module design provides the resulting modular robotic structures with dexterous deformation and force creating capabilities. The resulting robotic structures are not defacto rigid, but can change shape and form even without any cell-reconfiguration. Our concept could be useful for a great variety of applications encompassing modular robotics like self assembly, self repair and reactive shape optimization just to mention a few, that conventional robots cannot accommodate. We demonstrate via computer simulations various case studies, where modular robots composed of R-Cells react to external forces by optimizing their shape to better accommodate them in one case and in another case, we demonstrate how a requested force can be delivered at a given point of the modular robot.