Motion Planning and Reconfiguration for Systems of Multiple Objects

This chapter surveys some recent results on motion planning and reconfiguration for systems of multiple objects and for modular systems with applications in robotics.

Motion planning and reconfiguration for systems of multiple objects

Abstract This chapter surveys some recent results on motion planning and reconfiguration for systems of multiple objects and for modular systems with applications in robotics

Influence of self-disassembly of bridges on collective flow characteristics of swarm robots in a single-lane and periodic system with a gap

Inspired by the living bridges formed by ants, swarm robots have been developed to self-assemble bridges to span gaps and self-disassemble them. Self-disassembly of bridges may increase the transport efficiency of swarm robots by increasing the number of moving robots, and also may decrease the efficiency by causing gaps to reappear. Our aim is to elucidate the influence of self-disassembly of bridges on the collective flow characteristics of swarm robots in a single-lane and periodic system with a gap. In the system, robots span and cross the gap by self-assembling a single-layer bridge. We consider two scenarios in which self-disassembling bridges is prevented (prevent-scenario) or allowed (allow-scenario). We represent the horizontal movement of robots with a typical car-following model, and simply model the actions of robots for self-assembling and self-disassembling bridges. Numerical simulations have revealed the following results. Flow-density diagrams in both the scenarios shift to the higher-density region as the gap length increases. When density is low, allow-scenario exhibits the steady state of repeated self-assembly and self-disassembly of bridges. If density is extremely low, flow in this state is greater than flow in prevent-scenario owing to the increase in the number of robots moving horizontally. Otherwise, flow in this state is smaller than flow in prevent-scenario. Besides, flow in this state increases monotonically with respect to the velocity of robots in joining and leaving bridges. Thus, self-disassembling bridges is recommended for only extremely low-density conditions in periodic systems. This study contributes to the development of the collective dynamics of self-driven particles that self-assemble structures, and stirs the dynamics with other self-assembled structures, such as ramps, chains, and towers.Comment: 13 pages, 9 figure

Contribuições para a enumeração e para a análise de mecanismos e manipuladores paralelos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010A fase de projeto conceitual demecanismos emanipuladores paralelos, i.e. estruturas cinematicas, destina-se ao desenvolvimento da concepçao da cadeia cinematica. As etapas fundamentais para o desenvolvimento da concepao da cadeia cinematica sao sintese e analise. A sintese corresponde à enumeraçao de concepcoes e a analise corresponde `a seleçao das concepçoes mais promissoras considerando os requisitos de projeto. O objetivo deste trabalho é aplicar ferramentas da teoria de grupos e teoria de grafos para a enumeraçao e para a analise de estruturas cinematicas. A enumeraçao sera desenvolvida de forma sistematica em tres niveis: enumeraçao de cadeias cinematicas, enumeraçao de mecanismos e enumeraçao de manipuladores paralelos. A aplicaçao de ferramentas da teoria de grafos e grupos permite desenvolver novos metodos para enumeraçao e, consequentemente, obter novos resultados. A analise sera simplificada considerando um novo metodo que avalia as simetrias das cadeias cinematicas. Uma cadeia cinematica é representada de forma univoca atraves de um grafo. A representaçao atraves do grafo permite a manipulaçao computacional do problema de enumeraçao de cadeias cinematicas. A aplicaçao de ferramentas integradas da teoria de grafos e teoria de grupos permite identificar as simetrias das cadeias cinematicas atraves do grupo de automorfismos do grafo e, assim, é possivel identificar quais são as possiveis escolhas de base para novos mecanismos e avaliar quais sao as possiveis escolhas de base e efetuador final para manipuladores paralelos. O primeiro nivel da sintese corresponde à enumeraçao de cadeias cinematicas com determinada mobilidade, numero de elos, numero de juntas que operam num determinado sistema de helicoides. O segundo nivel da sintese corresponde a enumeraçao de mecanismos. Um mecanismo é uma cadeia cinematica com um elo escolhido para ser a base. Assim, a enumeraçao de mecanismos consiste em determinar todas as possiveis escolhas de bases para uma determinada cadeia cinematica. O principal conceito empregado neste nivel é o de simetria de grafos não coloridos e orbitas do grupo de automorfismos. O terceiro nivel da sintese corresponde `a enumeraçao de manipuladores paralelos. Um manipulador paralelo é uma cadeia cinematica com um elo escolhido para ser a base e outro para ser o efetuador final. Em outras palavras, um manipulador paralelo é um mecanismo com um elo escolhido para ser o efetuador final. Assim, a enumeraçao de manipuladores paralelos consiste em determinar todas as possiveis escolhas de efetuador final para um determinado mecanismo. O principal conceito empregado neste nivel é a simetria de grafos coloridos e orbitas do grupo de automorfismos de grafos coloridos. Na etapa de analise das concepcoes enumeradas serao abordadas propriedades bem estabelecidas na literatura: mobilidade, variedade, conectividade, grau de controle, redundancia e simetria. Mobilidade e variedade sao propriedades globais das estruturas cinematicas. Conectividade, grau de controle e redundancia sao propriedades locais, i.e. entre dois elos da estrutura cinematica e sao dadas por matrizes n×n, onde n é o número de elos da cadeia. A simetria pode ser considerada uma propriedade global e/ou local da estrutura cinem´atica. A aplicaçao de ferramentas integradas da teoria de grafos e teoria de grupos permite demonstrar que as propriedades locais sao invariantes pela acao do grupo de automorfismos do grafo, i.e. elas sao propriedades simetricas. Desta forma, a representaçao matricial é reduzida de n×n para o×n, onde o é o numero de orbitas do grupo de automorfismos do grafo aassociado à estrutura cinematica. Essa abordagem permite simplificar a analise de estruturas cinematicas apenas considerando as simetrias das cadeia associadas

Heterogeneous Self-Reconfiguring Robotics

Self-reconfiguring (SR) robots are modular systems that can autonomously change shape, or reconfigure, for increased versatility and adaptability in unknown environments. In this thesis, we investigate planning and control for systems of non-identical modules, known as heterogeneous SR robots. Although previous approaches rely on module homogeneity as a critical property, we show that the planning complexity of fundamental algorithmic problems in the heterogeneous case is equivalent to that of systems with identical modules. Primarily, we study the problem of how to plan shape changes while considering the placement of specific modules within the structure. We characterize this key challenge in terms of the amount of free space available to the robot and develop a series of decentralized reconfiguration planning algorithms that assume progressively more severe free space constraints and support reconfiguration among obstacles. In addition, we compose our basic planning techniques in different ways to address problems in the related task domains of positioning modules according to function, locomotion among obstacles, self-repair, and recognizing the achievement of distributed goal-states. We also describe the design of a novel simulation environment, implementation results using this simulator, and experimental results in hardware using a planar SR system called the Crystal Robot. These results encourage development of heterogeneous systems. Our algorithms enhance the versatility and adaptability of SR robots by enabling them to use functionally specialized components to match capability, in addition to shape, to the task at hand

A Hybrid and Extendable Self-Reconfigurable Modular Robotic System

Modular robotics has the potential to transform the perception of robotic systems from machines built for specific tasks to multi-purpose tools capable of performing virtually any task. This thesis presents the design, implementation and study of a new self-reconfigurable modular robotic system for use as a research and education platform. The system features a high-speed genderless connector (HiGen), a hybrid module (HyMod), an extensions framework, and a control architecture. The HiGen connector features inter-module communication and is able to join with other HiGen connectors in a manner that allows either side to disconnect in the event of failure. The rapid actuation of HiGen allows connections to be made and broken at a speed that is, to our knowledge, an order of magnitude faster than existing mechanical genderless approaches that feature single-sided disconnect, benefiting the self-reconfiguration time of modular robots. HyMod is a chain, lattice, and mobile hybrid modular robot, consisting of a spherical joint unit that is capable of moving independently and grouping with other units to form arbitrary cubic lattice structures. HyMod is the first module, to our knowledge, that combines efficient single-module locomotion, enabling self-assembly, with the ability for modules to freely rotate within their lattice positions, aiding the self-reconfigurability of large structures. The extension framework is used to augment the capabilities of HyMod units. Extensions are modules that feature specialized functionality, and interface with HyMod units via passive HiGen connectors, allowing them to be un-powered until required for a task. Control of the system is achieved using a software architecture. Based on message routing, the architecture allows for the concurrent use of both centralized and distributed module control strategies. An analysis of the system is presented, and experiments conducted to demonstrate its capabilities. Future versions of the system created by this thesis could see uses in reconfigurable manufacturing, search and rescue, and space exploration

Novos métodos para enumeração de configurações não isomorfas de robôs metamórficos com módulos quadrados

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013Robôs metamórficos ou robôs modulares reconfiguráveis são robôs constituídos de módulos autônomos e capazes de se conectar a outros módulos. Desta forma, o conjunto de módulos pode assumir novas configurações e funções. Além disto, o crescente interesse neste tipo de robôs deve-se justamente à capacidade de autoconfiguração, pois esta característica confere aos robôs adaptabilidade a novas circunstâncias e tarefas, bem como a capacidade de recuperação de falhas mecânicas. Assim, visto que é a capacidade de assumir diferentes configurações que torna estes robôs versáteis, para que se possam aproveitar todas as potencialidades dos robôs metamórficos, é necessário que se conheçam todas as diversas configurações que um dado número de módulos pode assumir. Neste contexto, o presente trabalho foca-se no problema de enumeração de configurações para robôs metamórficos de módulos quadrados, mais especificamente, no problema de enumeração de configurações distintas ou não isomorfas. Nele, são introduzidos dois novos métodos, que são contribuições originais, para enumeração de configurações distintas para robôs de módulos quadrados. O primeiro método é denominado Método das Simetrias e baseia-se em ferramentas de teoria dos grupos. Por outro lado, o segundo método, denominado Método das Órbitas, baseia-se em ferramentas de teoria dos grupos e de teoria dos grafos. Além disto, ambos os métodos foram implementados em C++ , o que possibilitou a enumeração, para um total de onze módulos, de todas as configurações distintas para robôs de módulos quadrados, bem como outros resultados que são apresentados no trabalho. Estes resultados constituem um avanço frente a literatura existente na área <br