21/05/2013 - Modulare Mikroroboter, die Verhaltensweisen biologischer Wesen nachahmen

Menéame

Ein Team von Forschern aus der Technische Hochschule für Industrieingenieure der Polytechnische Universität Madrid (UPM), angeführt von Ernesto Gambao, hat mechanische Lebensdauer eine Reihe von mikrorobischen Elementen, die im Vergleich zu anderen Kreationen, die bisher in diesem Bereich durchgeführt wurden, neu sind: ihre Heterogenität und eine Kontrollarchitektur, die auf genetischen Algorithmen beruht, die die Entwicklung der Arten widerspiegeln.

Praktisch alle vorhandenen Roboter imitieren mehr oder weniger einige der Eigenschaften von Lebewesen. "Die Mikroroboter, die wir entwickelt haben, tun dies in ihrem Funktionieren, aber es ist auch wahr, dass ihr Kontrollsystem auch auf der Art und Weise beruht, wie Lebewesen Entscheidungen treffen," erklärt Gambao. "Die globale Kontrollarchitektur basiert auf Verhaltensweisen und jedes Verhalten befasst sich mit einer der Eigenschaften des Mikroroboters. Die Kommunikationsschicht ist notwendig, um zu erreichen, dass Module und unterschiedliche Verhaltensweisen an gemeinsamen Zielen arbeiten können, indem sie einen einheitlichen Überblick über ein heterogenes Ganzes erhalten, um die Ziele des gesamten Roboters zu erreichen."
 

Ein eigenes Überwachungs- und Kommunikationssystem

Das Team, das zur UPM-Abteilung für Automatic gehört, definiert seine Erfindung als heterogener, multikonfigurierbarer, Kettentyp-Mikroroboter, der aus einer Reihe von Modulen besteht, so dass eine Funktionalität über die einfache Summe der einzelnen Module hinaus möglich ist. Seit Beginn dieser Arbeit im Jahr 2005 haben die Forscher alle Module mit einem gemeinsamen Element entwickelt: einem eigenen Überwachungs- und Kommunikationssystem, das sie bei der Zusammenführung erkennen lässt.

"Die Kommunikationsschicht ist notwendig, um zu erreichen, dass Module und unterschiedliche Verhaltensweisen der Module auf gemeinsamen Zielen aufbauen können, indem sie einen einheitlichen Überblick über ein heterogenes Ganzes erhalten, um die Ziele des gesamten Roboters zu erreichen," sagt Gambao.

Um diese Basiszellen miteinander zu kommunizieren, um ein komplexeres Element zu schaffen, dessen Funktionalität über der bloßen Summe der Fähigkeiten der einzelnen Zellen liegt, musste jedes Modul mit einem kleinen Kontrollsystem und einer Kommunikationsschnittstelle ausgestattet werden, die allen gemeinsam ist. Diese Schnittstelle ermöglicht die Verbindung der verschiedenen Elemente sowohl mechanisch als auch elektrisch.

In der elektrischen Verbindung ist ein Kommunikationssystem enthalten, so dass diese Kommunikation von Modul zu Modul erfolgt, als gäbe es einen Kontrollschritt zwischen ihnen. Das Endergebnis ist, dass das Zentralkontrollsystem des Mikrorobots Informationen von jedem Modul erhält und an jedes Modul sendet, indem es ein heterogenes, aber miteinander verbundenes Endsystem bildet.
 

Wie ein Wurm bewegen, um Energie zu sparen

Eine weitere wichtige Frage, die in der Forschung angesprochen wird, ist, wie Mikroroboter je nach der Fläche, auf der sie arbeiten müssen, bewegt werden sollten. "Da die Aufgaben der Mikroroboter sehr unterschiedlich sein sollten, haben wir uns dafür entschieden, je nachdem, ob hohe Geschwindigkeit, Drehleistung oder geringer Energieverbrauch gewünscht werden sollen, verschiedene Lokomotivsysteme zu entwickeln," so Gambao. "Das Ziel war immer, wenn die Mikroroboter völlig unabhängig waren, aber die heutige, batteriebasierte Energieversorgungstechnologie reduziert die maximale Zeit der Mikrorobot-Mission erheblich, und das ist etwas, das wir in Zukunft verbessern müssen. Die Autonomie ist zweifellos eines der Hauptprobleme."

Die Lebensdauer der Batterien war bei der Wahl der Art der Motion dieser mechanischen Kreationen sehr viel zu sehen, da die effizienteste je nach den Aufgaben, die sie zu entwickeln hätten, variieren würde. So stellten die Forscher fest, dass die Wurmbewegung, die auf einem Prinzip der Ausdehnung-Verspannung basiert, der am wenigsten Energieverbrauch für den speziellen Fall der Bewegung innerhalb einer Pipeline erforderte.

Bei modularen Mikrorobotern, die von der Ausrüstung erstellt werden, ist die Bewegung Wurm Sie erhalten dies durch zwei Stützmodule, die verwendet werden, um den Mikroroboter an den Rohrwänden zu befestigen, und durch ein Erweiterungsmodul, das verwendet wird, um den Roboter zu erweitern und zu fangen (vorwärts zu machen) und nach links und rechts zu drehen. Als Gegenpunkt hat dieses Loksystem den Nachteil einer geringen Geschwindigkeit.

In geraden Rohren ist das schnellste und effizienteste System die Bewegung in Helicoidal. Es wurde auch die Schlangenbewegung in Betracht gezogen, die zwar weniger effizient ist, aber die vielseitigste ist, da sie in sehr unterschiedlichen Umgebungen funktioniert.
 

Praktische Anwendungen

Später kamen die von Gambao geleiteten Forscher zu der Überzeugung, dass diese modularen Mikroroboter neben der Inspektion kleiner Rohre auch neue praktische Anwendungen haben könnten. "Die Erfahrungen mit den ersten Prototypen haben uns vor Augen geführt, dass die für die Bewegung innerhalb von Rohren entwickelten Lokomotivsysteme ebenfalls geeignet waren, sich außerhalb von ihnen zu bewegen, so dass Prototypen und Kontrollarchitektur auch für Bewegungen im offenen Raum verwendet werden können. Auf jeden Fall sind Mikroroboter aufgrund ihrer Größe besonders nützlich für die Inspektion und Wartung kleiner Hohlräume, in denen größere Systeme nicht eingeführt werden können."

Während die Forschung voranging, lösten sie die verschiedenen Probleme, denen sie gegenüberstanden. "Als wir die Forschung in diesen Robotern begannen, war ihre Größe eine große Herausforderung an sich," sagt Gambao. "Man musste an Aktoren, Sensoren, Steuerungssysteme und Kommunikation denken, die sich in einer kleinen Größe integrieren konnten. Dies ist die Grundlage des Mechatronikkonzepts, in dem mechanische, elektrische und Steuer-Designs miteinander verflochten sind und als Ganzes behandelt werden müssen und nicht als unabhängig."

Die Forscher haben all diese Erfahrungen auf Robotik-Kongressen und durch wissenschaftliche Artikel in verschiedenen internationalen Zeitschriften von großem Ansehen dargelegt. Und sie versprechen, weitere Beiträge zu leisten, soweit ihre Forschung vorankommt.

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Polytechnische Universität Madrid

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