Introducción a la robótica de enjambres

Interactuar, comprender y luego responder a la situación son algunas de las mayores características de los seres humanos y esas son las cosas que nos hacen lo que somos. Nacimos para vivir en una sociedad social y siempre hemos sabido de nosotros que somos la criatura social más educada que se conoce desde la creación de este planeta.

La cultura social y la interacción entre sí para ayudar a un objetivo común no solo se encuentra en los humanos sino también en otras especies de este planeta como una bandada de pájaros o peces o abejas, todos ellos tienen una cosa en común que están teniendo. un comportamiento colectivo. Cuando las aves migran, se ve a menudo que están en un grupo liderado por el miembro líder de su grupo y todos los siguen y su grupo está diseñado en formas geométricas particulares a pesar de que las aves no tienen sentido de las formas y figuras y también el grupo está hecho de manera que los miembros mayores del grupo están en los límites mientras que los jóvenes o los recién nacidos están en el centro.

Las mismas características se encuentran en las hormigas de fuego, estas hormigas son un poco diferentes a otras especies de hormigas y son especialmente conocidas por su comportamiento grupal, construyen juntas, comen juntas y defienden sus colonias de las presas juntas, básicamente saben pueden lograr más cuando están en grupo. Se estaba llevando a cabo un estudio reciente sobre el comportamiento grupal de estas hormigas en el que se encontró que eran capaces de hacer estructuras fuertes cuando fuera necesario, como cuando era necesario crear un pequeño puente para cruzar.

El comportamiento colectivo de estos animales sociales y la ayuda de los insectos les ayuda a lograr más a pesar de todas sus limitaciones. Los investigadores han demostrado que los individuos de estos grupos no necesitan representación ni conocimientos sofisticados para producir comportamientos tan complejos. En insectos sociales, animales y aves, los individuos no están informados sobre el estado global de la colonia. El conocimiento del enjambre se distribuye entre todos los agentes, donde un individuo no es capaz de cumplir su tarea sin el resto del enjambre. ¿Y si esta percepción colectiva se pudiera incorporar a un grupo de robots? Esto es lo que es la robótica de enjambres y aprenderemos sobre esto en detalle en este artículo .

Robots como parte de un enjambre

Nuestro entorno en el que vivimos es muy inspirador para nosotros, muchos de nosotros nos inspiramos para su trabajo de la naturaleza y el medio ambiente, inventores famosos como el Leonardo da Vinci lo hicieron muy bien y se puede ver en sus diseños en el mundo actual. También están haciendo que el mismo proceso funcione para nosotros para resolver el diseño y los problemas de ingeniería, como la nariz de los trenes bala se inspira en el pico del martín pescador para que tenga más velocidad y sea más eficiente en energía y produzca relativamente menos ruido a su paso. los túneles y hay un término acuñado para esto y se conoce como Biomimetismo.

Entonces, para resolver las tareas complejas donde la intervención humana es difícil y tiene una mayor complejidad de lo que debe ser más que un robot promedio, como ciertos casos de uso en los que un edificio se derrumba debido a un terremoto y la gente está deprimida debajo del concreto, ciertamente este problema. requiere algún tipo de robot que pueda ejecutar múltiples tareas a la vez y lo suficientemente pequeño como para atravesar el concreto y ayude a obtener la información de la existencia humana en primer lugar, entonces, lo que te viene a la mente, un grupo de pequeños robots que son pequeños lo suficiente y de forma autónoma crean su propio camino y obtienen la información, y ciertamente imita una especie de enjambre de insectos o moscas y, por lo tanto, donde la robótica del enjambre ocupa el primer lugar y aquí está el más formal. Robótica de enjambrees un campo de la multi-robótica en el que un gran número de robots se coordinan de forma distribuida y descentralizada. se basa en el uso de reglas locales, pequeños robots simples inspirados en el comportamiento colectivo de insectos sociales para que una gran cantidad de robots simples puedan superar una tarea compleja de una manera más eficiente que un solo robot, dando robustez y flexibilidad al grupo.

Las organizaciones y el grupo surgen de las interacciones entre los individuos y entre los individuos y el entorno circundante, estas interacciones se encuentran dispersas por toda la colonia y así la colonia puede resolver tareas que son difíciles de resolver por un solo individuo lo que significa trabajar hacia un objetivo común.

Cómo Swarm Robotics se inspira en Social Insects

Los sistemas multi-robóticos mantienen algunas de las características de los insectos sociales como la robustez, el enjambre de robots puede funcionar incluso si algunos de los individuos fallan o hay interrupciones en el entorno circundante; flexibilidad, el enjambre es capaz de crear diferentes soluciones para diferentes tareas y puede cambiar el rol de cada robot dependiendo de la necesidad del momento. Escalabilidad, el enjambre de robots puede trabajar en grupos de diferentes tamaños, desde unos pocos individuos hasta miles de ellos.

Características de Robot Swarm

Como dicho enjambre robótico simple adquiere una característica de insectos sociales que se enumeran a continuación

1. El enjambre de robots debe ser autónomo y capaz de percibir y actuar en un entorno real.

2. La cantidad de robots en un enjambre debe ser lo suficientemente grande como para respaldar todas y cada una de las tareas que deben realizar como grupo.

3. Debe haber homogeneidad en el enjambre, puede haber diferentes grupos en el enjambre pero no deben ser demasiados.

4. Un solo robot del enjambre debe ser incapaz e ineficiente con respecto a su objetivo principal, es decir, deben colaborar para triunfar y mejorar el desempeño.

5. Todos los robots deben tener solo capacidades de detección y comunicación locales con el socio vecino del enjambre, esto asegura que la coordinación del enjambre se distribuya y la escalabilidad se convierta en una de las propiedades del sistema.

Sistemas de robótica múltiple y robótica de enjambre

La robótica de enjambre es parte del sistema multi-robótico y como grupo, tienen algunas características en sus múltiples ejes que definen su comportamiento grupal.

Tamaño colectivo: El tamaño colectivo es el SIZE-INF que es N >> 1 que es opuesto al SIZE-LIM, donde el número de N del robot es menor que el tamaño de su entorno respectivo en el que se encuentran.

Rango de comunicación: El rango de comunicación es COM-NEAR, por lo que los robots solo pueden comunicarse con los robots que están lo suficientemente cerca.

Topología de comunicación: la topología de comunicación para los robots en el enjambre sería generalmente TOP-GRAPH, los robots están vinculados en una topología de gráfico general.

Ancho de banda de comunicación: el ancho de banda de comunicación es BAND-MOTION, el costo de comunicación entre los dos robots es el mismo que mover los robots entre ubicaciones.

Reconfigurabilidad colectiva: La reconfigurabilidad colectiva es generalmente ARR-COMM, este es un arreglo coordinado con los miembros que se comunican, pero también podría ser ARR-DYN, que es el arreglo dinámico, las posiciones pueden cambiar al azar.

Capacidad de proceso: La capacidad de proceso es PROC-TME, donde el modelo computacional es un equivalente de máquina de afinación.

Composición colectiva: La composición colectiva es CMP-HOM, lo que significa que los robots son homogéneos.

Ventajas de los sistemas multi-robóticos en comparación con un solo robot

• Paralelismo de tareas: Todos sabemos que las tareas pueden ser descomponibles y todos conocemos el método de desarrollo ágil, por lo que al utilizar el paralelismo, los grupos pueden hacer que la tarea sea más eficiente.
• Habilitación de tareas: un grupo es más poderoso que uno solo y lo mismo se aplica a la robótica de enjambre, donde un grupo de robots puede hacer que la tarea haga cierta tarea que es imposible para un solo robot
• Distribución en la detección: como el enjambre tiene una detección colectiva, tiene un rango de detección más amplio que el rango de un solo robot.
• Distribución en acción: un grupo de robots puede realizar diferentes acciones en diferentes lugares al mismo tiempo.
• Tolerancia a fallas: la falla de un solo robot dentro de un enjambre de robots dentro de un grupo no implica que la tarea vaya a fallar o no se pueda realizar.

Plataformas experimentales en Swarm Robotics

Existen diferentes plataformas experimentales utilizadas para la robótica de enjambres que implica el uso de diferentes plataformas experimentales y diferentes simuladores robóticos para estimular el entorno de la robótica de enjambres sin el hardware real necesario.

1. Plataformas robóticas

Se utilizan diferentes plataformas robóticas en diferentes experimentos robóticos de enjambre en diferentes laboratorios

(i) Swarmbot

Sensores utilizados: tiene varios sensores para ayudar al bot, que incluye sensores de rango y cámara.

Movimiento: utiliza ruedas para moverse de uno a otro.

Desarrollado por: Desarrollado por Rice University, EE. UU.

Descripción: SwarmBot es una plataforma robótica de enjambre desarrollada para investigación por Rice University. Puede funcionar de forma autónoma durante aproximadamente 3 horas con una sola carga, además, estos bots se habilitan automáticamente para encontrar y acoplarse a estaciones de carga colocadas en las paredes.

(ii) Kobot

Sensores utilizados: Implica el uso del sensor de distancia, sensores de visión y brújula.

Movimiento: utiliza ruedas para su movimiento.

Desarrollado por: Está desarrollado en el Laboratorio de Investigación KOVAN de la Universidad Técnica de Oriente Medio, Turquía.

Descripción: Kobot está diseñado específicamente para la investigación en robótica de enjambres. Está compuesto por varios sensores que lo convierten en una plataforma perfecta para realizar diversas situaciones robóticas de enjambre, como el movimiento coordinado. Puede funcionar de forma autónoma durante 10 horas con una sola carga. También incluye una batería reemplazable que se recarga manualmente y se utiliza principalmente en la implementación de escenarios autoorganizados.

(iii) S-bot

Sensores utilizados: utiliza varios sensores para que las cosas funcionen como sensores de luz, infrarrojos, posición, fuerza, velocidad, temperatura, humedad, aceleración y un micrófono.

Movimiento: Hace uso de árboles unidos a su base para sus movimientos.

Desarrollado por: Es desarrollado por la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suiza.

Descripción: S-bot es una de las varias plataformas robóticas de enjambre competentes y sustanciales jamás construidas. tiene un diseño de pinza único capaz de agarrar objetos y otros s-bots. Además, pueden funcionar aproximadamente durante 1 hora con una sola carga.

(iv) Robot Jazmín

Sensores utilizados: Utiliza sensores de luz y distancia.

Desarrollado por: Está desarrollado por la Universidad de Stuttgart, Alemania.

Movimiento: realiza su movimiento sobre las ruedas.

Descripción: Jasmine mobile robots es un enjambre de plataformas robóticas que se utiliza en muchas investigaciones robóticas de enjambre.

(v) E-Puck

Sensores utilizados: utiliza una variedad de sensores como distancia, cámara, rumbo, aceleración y un micrófono.

Desarrollado por: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suiza

Movimiento: se basa en el movimiento de la rueda.

Descripción: E-puck está diseñado principalmente con fines educativos y es uno de los robots de mayor éxito. Sin embargo, debido a su simplicidad, también se emplea a menudo en la investigación de robótica de enjambres. Tiene baterías reemplazables por el usuario con un tiempo de trabajo de 2-4 horas.

(vi) Kilobot

Sensores utilizados: Utiliza una combinación de sensores de luz y de distancia.

Desarrollado por: Universidad de Harvard, EE. UU.

Movimiento: utiliza vibraciones del sistema para el movimiento del cuerpo del sistema.

Descripción: Kilobot es una plataforma robótica de enjambre moderadamente reciente con una función única de carga grupal y programación grupal. Debido a su simplicidad y bajo consumo de energía, tiene un tiempo de actividad de hasta 24 horas. Los robots se cargan manualmente en grupos en una estación de carga especial.

2. Simuladores

Los simuladores robóticos resuelven el problema del hardware necesario para el trabajo de probar la credibilidad de los bots en los parámetros del entorno real simulados artificialmente.

Existen muchos simuladores robóticos que se pueden utilizar para experimentos multi-robóticos, y más específicamente para los experimentos robóticos de enjambre y todos ellos difieren en sus aspectos técnicos pero también en la licencia y el costo. Algunos de los simuladores para swarm bots y plataformas Multi-robotic son los siguientes:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D es un simulador de multi-robótica pero diseñado específicamente para el robot S-Bot del proyecto SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: el estudio robótico es un simulador desarrollado por Microsoft. Permite la simulación multi-robótica y requiere que se ejecute la plataforma Windows.
• Webots: Webots es un simulador móvil realista que permite simulaciones de múltiples robots, con modelos ya construidos de los robots reales. Puede simular colisiones reales aplicando la física del mundo real. Sin embargo, su rendimiento disminuye cuando se trabaja con más de robots, lo que dificulta las simulaciones con una gran cantidad de robots.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo es un simulador de código abierto con capacidades multi-robóticas y un amplio conjunto de robots y sensores disponibles listos para usar. Puede manejar bien las simulaciones de los experimentos robóticos de enjambre en un entorno 2D con muy buenos resultados. El tamaño de la población en el medio ambiente puede escalar hasta 1000 robots simples en tiempo real.

Algoritmos y técnica utilizados para diversas tareas en Swarm Robotics

Aquí vamos a explorar las diversas técnicas utilizadas en la robótica de enjambres para varias tareas simples como agregación, dispersión, etc. Estas tareas son los pasos iniciales básicos para todos los que trabajan en la robótica de enjambres.

Agregación: la agregación es reunir a todos los bots y es un paso realmente importante y inicial en otros pasos complejos como la formación de patrones, el autoensamblaje, el intercambio de información y los movimientos colectivos. Un robot utiliza sus sensores, como sensores de proximidad y micrófono, que utiliza mecanismos de intercambio de sonido con la ayuda del actuador, como altavoces. Los sensores ayudan a un solo bot a encontrar el robot más cercano que también resulta ser el centro del grupo, donde el bot tiene que concentrarse únicamente en el otro bot que está en el centro del grupo y llegar hacia él y el mismo proceso. es seguido por todos los miembros del enjambre que les permite agregar todos.

Dispersión: cuando los robots se agregan en un solo lugar, el siguiente paso es dispersarlos en el entorno donde trabajan como un solo miembro constitutivo del enjambre y esto también ayuda en la exploración del entorno que cada bot del enjambre trabaja. como un solo sensor cuando se deja explorar. Se han propuesto y utilizado varios algoritmos para la dispersión de los robots, uno de los enfoques incluye el algoritmo de campo potencial para la dispersión de los robots en el que los robots consiguen repeler los obstáculos y otros robots que permiten que el entorno del enjambre se disperse linealmente.

Uno de los otros enfoques implica la dispersión basada en la lectura de las señales de intensidad inalámbrica, las señales de intensidad inalámbrica permiten que los robots se dispersen sin el conocimiento de sus vecinos más cercanos, simplemente capturan las intensidades inalámbricas y las organizan para dispersarlas en el entorno circundante.

Formación de patrones: la formación de patrones en la robótica de enjambres es una característica importante de su comportamiento colectivo, estos patrones pueden ser de gran ayuda cuando se va a resolver un problema que involucra a todo el grupo trabajando en conjunto. En la formación de patrones, los bots crean una forma global cambiando la parte de los robots individuales donde cada bot tiene solo información local.

Un enjambre de robots forma una estructura con una forma definida interna y externa. Las reglas que hacen que la partícula / robots se agreguen en la formación deseada son locales, pero surge una forma global, sin tener ninguna información global con respecto a un miembro individual del enjambre. El algoritmo utiliza resortes virtuales entre las partículas vecinas, teniendo en cuenta cuántos vecinos tienen.

Movimiento colectivo: ¿Cuál es el significado de un equipo si todos no pueden resolver el problema juntos y esa es la mejor parte de un enjambre? El movimiento colectivo es una forma de permitir coordinar un grupo de robots y hacer que se muevan juntos como grupo de manera cohesionada. Es una forma básica de realizar algunas tareas colectivas y se puede clasificar en dos tipos: formación y flocado.

Hay muchos métodos de movimiento colectivo, pero solo aquellos que permiten la escalabilidad con un número creciente de robots son de interés, donde cada robot reconoce la posición relativa de su vecino y reacciona con fuerzas respectivas que podrían ser atractivas o repulsivas para formar estructuras para movimientos colectivos.

Asignación de tareas: La asignación de tareas es un área problemática en la robótica de enjambres sobre la base de la división del trabajo. Sin embargo, existen varios métodos que se utilizan para la división del trabajo, uno de ellos es que cada robot mantendría una observación sobre las tareas de otro robot y mantendría el historial de las mismas y luego luego puede cambiar su propio comportamiento para adaptarse a la tarea, este método se basa en la comunicación de chismes y seguramente tiene sus ventajas de mejor rendimiento, pero al mismo tiempo tiene la desventaja de que debido a la limitada robustez y la pérdida de paquetes durante la comunicación, resulta menos escalable. En el otro método, las tareas son anunciadas por algunos de los robots y un cierto número de otros robots las atienden simultáneamente, es un método simple y reactivo.

Búsqueda de una fuente: La robótica Swarm tiene mucho éxito en la tarea de búsqueda de la fuente, especialmente cuando la fuente para la búsqueda es compleja, como en el caso del sonido o el olor. La búsqueda por la robótica del enjambre se realiza de dos formas, una es global, la otra es local, y la diferencia entre las dos es la comunicación. Uno con la comunicación global entre los robots en el que los robots son capaces de encontrar la fuente máxima global. El otro está restringido solo a la comunicación local entre los robots para encontrar los máximos locales.

Transporte de objetos: Las hormigas tienen transporte colectivo de objetos donde una hormiga individual espera la cooperación del otro compañero si el objeto a transportar es demasiado pesado. Bajo los mismos robots ligeros, el enjambre hace que las cosas funcionen de la misma manera donde cada robot tiene la ventaja de obtener la cooperación de los otros robots para transportar los objetos. S-bots ofrece una gran plataforma para resolver el problema del transporte donde se autoensamblan para cooperar y su algoritmo se escala si el objeto a transportar es pesado.

El otro método es el transporte colectivo de objetos donde los objetos se recolectan y almacenan para su posterior transporte, aquí los robots tienen dos tareas diferentes: recolectar los objetos y colocarlos en un carro, y mover colectivamente el carro que lleva esos objetos.

Mapeo colectivo: el mapeo colectivo se utiliza para la exploración y mapeo de las grandes áreas interiores utilizando una gran cantidad de robots.

En un método, el mapeo lo llevan a cabo los dos grupos de dos robots, que intercambian información para fusionar los mapas. El otro método se basa en roles en el que el robot puede asumir cualquiera de los dos roles que se mueven o marcan que pueden intercambiar por el movimiento del enjambre. Además, los robots tienen una cierta estimación de su posición, por lo que deben tener una estimación de la ubicación de los otros robots para construir un mapa colectivo.

La aplicación de la robótica de enjambre en el mundo real

Aunque la investigación exhaustiva sobre robótica de enjambres comenzó alrededor de 2012 hasta ahora, no ha salido con la aplicación comercial del mundo real, se está utilizando con fines médicos pero no a esa gran escala y todavía se está probando. Hay varias razones por las que esta tecnología no está saliendo comercialmente.

Diseño de algoritmos para el individuo y lo global: El comportamiento colectivo del enjambre surge del individuo que requiere diseñar un solo robot y su comportamiento, y actualmente no existe ningún método para pasar del comportamiento individual al grupal.

Pruebas e implementación: Amplios requisitos para los laboratorios y la infraestructura para un mayor desarrollo.

Análisis y modelado: las diversas tareas básicas realizadas en la robótica de enjambres sugieren que estas no son lineales y, por lo tanto, construir los modelos matemáticos para su trabajo es bastante difícil.

Además de estos desafíos, existen más desafíos de seguridad para el individuo y el enjambre debido a su diseño simple.

(i) Captura física de los robots.

(ii) Identidad del individuo en el enjambre, que el robot debe saber si está interactuando con un robot de su enjambre u otro enjambre.

(iii) Ataques de comunicación al individuo y al enjambre.

El objetivo principal de la robótica del enjambre es cubrir una amplia región donde los robots podrían dispersarse y realizar sus respectivas tareas. Son útiles para detectar eventos peligrosos como fugas, minas terrestres, etc. y la principal ventaja de una red de sensores distribuida y móvil es que puede detectar el área extensa e incluso actuar sobre ella.

Las aplicaciones de la robótica de enjambres son realmente prometedoras pero aún existe la necesidad de su desarrollo tanto en la parte algorítmica como en la de modelado.