Презентация А. Ронжина на конференции Сколково Роботикс

1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ И РЕШЕНИЙ
МОДУЛЬНОЙ, РОЕВОЙ И ОБЛАЧНОЙ
РОБОТОТЕХНИКИ
Санкт-Петербургский
институт информатики и
автоматизации РАН
Skolkovo Robotics V
21 апреля 2017, Москва
Ронжин А.Л.

2. Текущие проекты СПИИРАН по робототехнике
 Групповое управление мобильными роботами в
интеллектуальном пространстве, 2015-2017
 Принципы распределения задач между сервисными
роботами и средствами киберфизического
интеллектуального пространства при многомодальном
обслуживании пользователей, 2016-2018
 Моделирование автоматизированных
робототехнических средств транспортировки
пострадавших, 2016-2018
 Технологические основы управления попарными
соединениями гомогенных роботов при
конфигурировании роя в трёхмерные формы, 2016-2018
JG
ip
``pi

3. Модульная робототехника
 Концепция роботов с морфологически изменяемой
структурой была предложена Toshio Fukuda в 1988 году
и позднее названа модульной робототехникой, целью
которой является преодоление ограничений по гибкости
и адаптивности, свойственных традиционным роботам с
фиксированной пространственной структурой.

4. Основные задачи и функции
модульных роботов
 Перестраивание в трехмерные поверхности
заданной формы
 Передвижение (перетекание, переползание,
походка);
 Манипуляции с внешними объектами (захват
объекта; окружение объекта);
 Поддержка и балансировка нестабильных
объектов.
 Самореконфигурация (самосборка;
саморазборка)

5. Особенности самореконфигурации
модульных роботов
 Ограниченность ресурсов отдельных модулей
 Коллизии в общей структуре:
– разделение модульного робота на несколько частей;
– наложение отдельных модулей в одной позиции при
планировании перестроения;
– формирование полых замкнутых форм, где часть
модулей остается внутри и не может использоваться
далее;
– и наоборот, когда часть модулей остается снаружи и
недоступна для формирования внутренней
структуры.

6. Архитектуры модульных роботов
 Групповое взаимодействие традиционных роботов с
колесными/гусеничными движителями,
соединяющихся между собой для увеличения своих
параметров при решении отдельной задачи
 Весь корпус участвует в движении и соединении,
выделяется три вида архитектур: змеевидная,
решетчатая, гибридная. При этом отдельные модули
могут иметь форму: куба, цилиндра,
параллелепипеда, параллелепипеда с
закругленными углами, трапециевидную,
треугольную, шестиугольную, сферическую и другие.

7. Разработка механизма соединения блоков
 Следует учитывать необходимую прочность, обратимость и
повторяемость, энергопотребление, допустимые
геометрические размеры, а также условия среды эксплуатации.
 Свойства соединений накладывают определенные
ограничения на пространство возможных реконфигураций
модульного робота.
 Обычно используются механические, магнитные и химические
способы соединения. Активно исследуются способы
соединения на основе искусственных мышц.
 Вес и размер используемых блоков влияет на плотность
формируемой поверхности.

8. Классификация способов соединения
модульных роботов
химические
магнитные
механические
защелки
зажимы
M-Blocks, Vertical, Programmableparts,
Sholastic 2D, MTRAN, Telecubes
электромагниты
постоянные магниты
CONRO, Crystalline, I-cubes, Chobie-II,
MTRAN-III, MicroUnit
ATRON, Molecule, 3DUnit,
CoSMO
Molecule, MolecubeI, Catoms
электропостоянные
магниты
Pebbles
элемены Пельтье Miyashita, 2008
термоклей Wang, 2013
спайка Neubert, 2014
способы решения примеры

9. Примеры модульных
робототехнических систем
Название Год
Размерность
системы
Тип
коннектора
Актуатор
Степени
свободы
(активируе
мые)
Предел
прочности
Размер (мм) Вес
MTRAN-III 2008 3D крюки ДПТ 6(6) - 65x65x130 420 г
Roombots 2010 3D крюки ДПТ 10(2) -
220x110x11
0
1,4 кг
ModRED 2010 3D задвижки соленоид 2(2) -
368x114x11
90
3,17 кг
Pebbles 2010 2D
электромагнит
и пост. магнит
Токовый
импульс
4(4) 2,16Н 12x12x12 4 г
M3 Express 2012 2D пост. магнит ДПТ 3(3) 11Н - 878 г
SMORES 2012 3D пост. магнит ДПТ 4(3) 60Н 100x100x90 520 г
CoSMO 2013 3D ключ и замок ДПТ 4(4) 4кН
105x105x10
5
1,25 кг
M-Blocks 2013 3D пост. магнит Нет 6(0) - 50x50x50 143 г
Soldercubes 2014 3D
Соединяющий
материал
Тепло 6(6) 173Н 55x55x55 120 г
Российские коллективы:
- МГТУ им. Н. Э. Баумана
- ИПМ им. М. В. Келдыша
- ЦНИИРТК
- др.

10. Алгоритмы роевого поведения
 Формирование модульных конструкций производится на
основе групп и роя роботов. Алгоритмы роевого поведения в
большинстве случаев были взяты из аналогий с
биологическими прототипами (рой пчел, стая птиц, рыб,
насекомых и др.) и связаны с поиском еды, движением в
стае, движением к свету, синхронизации движения.
 Для моделирования алгоритмов роевого поведения
требуется гораздо большее число единиц используемых
роботов, поэтому фактор их себестоимости является одним
из главных при проведении натурных экспериментов.

11. Облачная робототехника
 С точки зрения парадигмы киберфизических систем
мобильные робототехнические комплексы являются
киберфизическими устройствами вместе с другими
стационарными и встроенными средствами,
взаимодействующими удаленно между собой по сети.
 В облачной робототехнике активно используются сервис-
ориентированные архитектуры (SOA), успешно применяемые
в киберфизических системах, однако физические устройства,
функционирующие и взаимодействующие с человеком в
данном случае, являются мобильные роботы, отличающиеся
большей степенью автономности и подвижности.

12. Групповое взаимодействие
роботов-футболистов
 Разработка тактик групповых маневров роботов с учетом ограниченных
возможностей встроенных систем технического зрения и бортовых
вычислителей
 Разработка
гуманоидного робота
среднего размера на
базе своих приводов и
специализированных
бортовых вычислителей
на SMARK модулях

13. Реконфигурация множества
РТК в заданные формы
 Проверка масштабируемости
задачи группового
управления большим числом
малых однородных
робототехнических
комплексов при
формировании
пространственных фигур

14. Концептуальная модель киберфизического
пространства
IG
im
``mi
`im
i I
m
JG
ip
``pi
Взаимодействие
Технические средства
Движение
Ресурсы
Облачные вычислительные
и инфокоммуникационные
технологии
и робототехника
Модель элемента (узла)
сенсорный
сетевой
вычислительный
информационно-управляющий
Уровни киберфизического взаимодействия
сервисный

15. Достоинства SMARC модулей на основе
архитектуры ARM
 Процессоры с ARM ядром выпускаются множеством фирм по
всему миру, включая отечественных производителей.
 Жизненный цикл у изделий этих фирм составляет 15 лет и более;
 Развитие идет быстрыми темпами, позволяя выбрать процессор
под любое конечное применение.
 Процессоры ARM включают массу периферийных устройств,
необходимых для построения РТК: интерфейсы LAN, USB, CAN,
UART (RS-485), интерфейсы для подключения дисплеев и
видеокамер и т.п.
 Процессоры с ARM ядром имеют низкое энергопотребление и
могут обходиться пассивным радиаторным охлаждением.

16. Общий вид модуля SMARC, разработанный
в СПИИРАН
Основные характеристики:
• Тактовая частота 600…1000МГц;
• Оперативная память: 256МБ…1ГБ;
• ПЗУ (eMMC): 4ГБ…64ГБ
• Видео: 800*480*24 (RGB)
• LAN, USB*2, UART*3, I2C*3, SPI*2
Модуль устанавливается в разъем
параллельно плате-носителю
аналогично модулю SO-DIMM в
ноутбуке.
Себестоимость:
~2000 руб./шт. @1000 шт.

17. Разработки на основе модулей SMARC:
автоматизированное рабочее место

18. Разработки на основе модулей SMARC:
сетевой контроллер УКВ радиостанции
+ удаленное управление
+ автономное управление
+ VoIP
+ передача голоса по радио

19. Разработки на основе модулей SMARC: IP-коммутатор
домофонных трубок
+ до 300 трубок на прибор
+ VoIP, SIP
+ веб-интерфейс
+ SSH, SSL (https)

20. Разработки на основе модулей SMARC: система
контроля доступа S-Gate
+ Wiegand, OSDP
+ веб-интерфейс
+ репликация БД
+ SSH, SSL (https)

21. Бортовой компьютер Antares (СПИИРАН)
системный модуль SMARC (Embedian)

22. Разработка антропоморфного
робота Антарес

23. Перспективные разработки контроллеров для
сервоприводов
• Стандартные RC-серво как доноры
механической части
• Протокол управления встроенного
контроллера: DYNAMIXEL
• Интерфейс управления: RS-485, TTL,
модифицированный USB.
• Микроконтроллер: ARM Cortex M0
• Питание: 3S Li-Po (9…12.6В)
• Низкая стоимость

24. Распределенное управление питанием от
нескольких батарей
Типовые требования:
• Большие пиковые токи
потребления приводов
• Распределение батарей
вблизи нагрузок: ноги, руки,
тело
• Умное управление зарядом,
разрядом батарей
• Работа от внешней сети
питания при севших батареях
• Балансировка нагрузки
Нога 1 Нога 2
AFE AFE
AFE
Тело
Борт-сеть
Разъём
зарядки

25. Инжиниринговый центр
СПИИРАН

26. Заключение
 Бортовые вычислители СПИИРАН на основе SMARC-модулей
планируется использовать для:
– обработки аудиовизуальных сигналов,
– роевого управления модульными робототехническими
комплексами,
– встраиваемых средствах интеллектуального киберфизического
пространства для проектирования систем с многомодальным
интерфейсом, реализующих естественное взаимодействие
между пользователями и автоматическими сервисами.

27. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
E-mail: ronzhin@iias.spb.su
Web: http://robotics.nw.ru/
СПИИРАН, 2017
Труды
СПИИРАН
19th International Conference on Speech and
Computer – SPECOM 2017
2nd International Conference on
Interactive Collaborative Robotics – ICR 2017
Кафедра электромеханики и
робототехники ГУАП
Лаборатория проектирования и
программирования робототехнических
систем ГУАП - СПИИРАН