Роботтардың үйлесімді жұмыс істеуі: Ұсақ роботтардың топтық әрекеттері

Кіріспе

Бірнеше роботты жүйе ретінде үйлестіру

Робототехника – көптеген, көбінесе қарапайым физикалық роботтардан тұратын жүйе ретінде бірнеше роботты үйлестіру тәсілі. "Роботтар тобында роботтардың ұжымдық мінез-құлқы роботтар арасындағы және роботтар мен олар әрекет ететін орта арасындағы жергілікті өзара әрекеттесулер нәтижесінде пайда болады." Көзге көрінетін ұжымдық мінез-құлық роботтардың өзара әрекеттесуінен және роботтардың ортамен өзара әрекеттесуінен туындайды деп есептеледі. Бұл тәсіл жасанды үйіршік интеллектісі саласында, сондай-ақ жәндіктер, құмырсқалар және табиғатта үйіршік мінез-құлқы байқалатын басқа да биологиялық зерттеулерде қалыптасты.

Анықтама

Роботтар үйірмесін зерттеу роботтардың құрылымын, олардың физикалық денесін және басқару мінез-құлқын зерттеуден тұрады. Ол әлеуметтік жәндіктерде байқалатын, «үйірмелік интеллект» деп аталатын мінез-құлықтан шабыттанған, бірақ оған шектелмейді. Салыстырмалы түрде қарапайым жеке ережелер күрделі үйірмелік мінез-құлықтардың кең спектрін тудыра алады. Маңызды компонент – топ мүшелері арасындағы байланыс, ол тұрақты кері байланыс жүйесін құрайды. Үйірмелік мінез-құлық басқалармен өзара әрекеттесуде жеке тұлғалардың үнемі өзгеруін, сондай-ақ бүкіл топтың мінез-құлқын қамтиды. Ұсақталған роботтық жүйелерден айырмашылығы, роботтар үйірмесі роботтардың көп санын баса назарға алады және, мысалы, тек жергілікті байланысты пайдалану арқылы масштабтауға ықпал етеді. Ондай жергілікті байланыс, мысалы, радиожиілік немесе инфрақызыл сияқты сымсыз тарату жүйелері арқылы жүзеге асырылуы мүмкін.

Мақсаттары мен қолданулары

Миниатюризация мен құн – үйірме робототехникасының маңызды факторлары. Бұл – үлкен роботтар тобын құрудағы шектеулер; сондықтан команданың жеке мүшесінің қарапайымдылығына баса назар аудару қажет. Бұл жеке деңгейде емес, үйірме деңгейінде мағыналы мінез-құлыққа қол жеткізу үшін үйірмелік интеллект тәсілін қолдануға ынталандыруы керек. Көптеген зерттеулер жеке робот деңгейінде қарапайымдылықты қамтамасыз ету мақсатына бағытталған. Үйірме робототехникасын зерттеуде нақты аппаратты пайдалану, симуляция емес, зерттеушілерге көптеген мәселелерді анықтап, шешуге және үйірме зерттеулерінің ауқымын кеңейтуге мүмкіндік береді. Осылайша, үйірмелік интеллект зерттеулері үшін қарапайым роботтарды әзірлеу – саланың өте маңызды аспектісі. Мақсаттарға жеке роботтардың құнын төмен ұстап, масштабтауға мүмкіндік беру, үйірменің әрбір мүшесі үшін ресурстарға деген талапты азайту және қуатты/энергияны тиімдірек пайдалану кіреді. Жеке роботтармен салыстырғанда, үйірме берілген тапсырмаларды кішігірім тапсырмаларға бөліп орындай алады; үйірме ішінара бұзылған жағдайда да тұрақты болады және түрлі тапсырмаларды орындауға икемді. Мұндай үйірме жүйелерінің бірі – сыртқы үйірме робототехникасы үшін арзан құралдардан жасалған LIBOT робот жүйесі. Роботтар GPS сенсорлары ғимараттар ішінде нашар байланыс беретіндіктен, Wi-Fi арқылы ішкі пайдалануға да бейімделген. Тағы бір мысал – Ұлыбританияның Линкольн университетінің Компьютерлік интеллект зертханасында құрастырылған микроробот (Colias). Бұл микроробот 4 см диаметрлі дөңгелек шассиге орнатылған, арзан құрал және үйірме робототехникасының түрлі салаларында қолдануға болатын ашық платформа.

Қолданбалар

Роботтар үйірмесінің көптеген қолданыс салалары бар. Олардың қатарында нанороботика, микроботика сияқты миниатюризацияны талап ететін міндеттер (мысалы, микромашиналарда немесе адам денесінде тараған сезімталдық міндеттері) де бар. Роботтар үйірмесінің ең перспективалы қолданылуының бірі – іздеу және құтқару операциялары. Әртүрлі өлшемдегі роботтар тобы құтқарушылардың қауіпсіз жете алмайтын жерлерге жіберілуі мүмкін, белгісіз ортаны зерттеуге және бортындағы сенсорлар арқылы күрделі лабиринттерді шешуге көмектеседі. Көбінесе дау тудыратын мәселе – әскери роботтар үйірмесінен автономды әскер жасау мүмкіндігі. АҚШ Әскери-теңіз күштері өздігінен бағыттап, шабуылдай алатын автономды қайықтар үйірмесін сынақтан өткізді. Бұл қайықтар пилотсыз болып, жау кемелерін тоқтату және жою үшін кез келген құрал-жабдықпен жабдықталуы мүмкін. Сирия азаматтық соғысы кезінде Ресей әскерлері елдегі негізгі әуе базасына жарылғыш заттармен жүктелген ұшқышсыз аппараттардың шабуылы туралы хабарлады. Көптеген зерттеулер салыстырмалы түрде шағын машиналар тобына бағытталған. Дегенмен, 2014 жылы Гарвард университеті 1024 жеке роботтан тұратын, қазірге дейінгі ең ірі роботтар үйірмесін көрсетті. Тағы бір маңызды қолданыс саласы – микро әуе көліктерінің үйірмесін пайдалану, олар қазіргі уақытта кеңінен зерттелуде. Зертхана жағдайында дәл қозғалысты тіркеу жүйелерін пайдаланатын ұшқыш роботтар үйірмесін зерттеудің бастапқы кезеңімен салыстырғанда, қазіргі Shooting Star сияқты жүйелер GNSS жүйелерін (GPS сияқты) пайдалана отырып, ашық ауада жүздеген микро әуе көліктерінің командаларын басқара алады немесе тіпті GPS қолжетімді емес жағдайларда бортындағы локализация жүйелерін пайдаланып оларды тұрақтандырады. Микро әуе көліктерінің үйірмесі автономды бақылау, иіс іздеу және ықшам фаланста барлау міндеттерінде сынақтан өтті. Адамсыз жердегі және әуедегі көлік құралдарының ынтымақтастық үйірмелеріне қатысты көптеген жұмыстар орындалды, олардың мақсаты – ынтымақтастық ортаны бақылау, бір уақытта локализациялау және карта жасау, конвойді қорғау, жылжымалы нысандарды анықтау және қадағалау. Сонымен қатар, автономды үйірлерді өндіріс саласында қолдануда үлкен жетістіктерге қол жеткізілді, бұл үйіршікті 3D басып шығару деп аталады. Бұл әсіресе үлкен құрылымдар мен компоненттерді өндіруде пайдалы, себебі дәстүрлі 3D басып шығару аппараттық өлшемдердің шектеулеріне байланысты қолданылмайды. Миниатюризация және жаппай жұмылдыру өндіріс жүйесіне тиімді құрылыс көлеміне байланысты емес, масштабтық инварианттылыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді. 3D басып шығарудың бастапқы кезеңінде болғанымен, қазірдің өзінде стартап компаниялар оны коммерцияландыруда. Жедел индукциялық басып шығару металл қоспасын өндіру процесін пайдалана отырып, Rosotics металл жүктемені пайдалана отырып, 3D басып шығаруды көрсеткен алғашқы компания болды және әуедегі платформадан металл 3D басып шығаруды жүзеге асырған жалғыз компания атанды.

Potential applications for swarm robotics are many. They include tasks that demand miniaturization (nanorobotics, microbotics), like distributed sensing tasks in micromachinery or the human body. One of the most promising uses of swarm robotics is in search and rescue missions. Swarms of robots of different sizes could be sent to places that rescue workers cannot reach safely, to explore the unknown environment and solve complex mazes via onboard sensors. More controversially, swarms of military robots can form an autonomous army. U. S. Naval forces have tested a swarm of autonomous boats that can steer and take offensive actions by themselves. The boats are unmanned and can be fitted with any kind of kit to deter and destroy enemy vessels. During the Syrian Civil War, Russian forces in the region reported attacks on their main air force base in the country by swarms of fixed wing drones loaded with explosives. Most efforts have focused on relatively small groups of machines. However, a swarm consisting of 1,024 individual robots was demonstrated by Harvard in 2014, the largest to date. Another large set of applications may be solved using swarms of micro air vehicles, which are also broadly investigated nowadays. In comparison with the pioneering studies of swarms of flying robots using precise motion capture systems in laboratory conditions, current systems such as Shooting Star can control teams of hundreds of micro aerial vehicles in outdoor environment using GNSS systems (such as GPS) or even stabilize them using onboard localization systems where GPS is unavailable. Swarms of micro aerial vehicles have been already tested in tasks of autonomous surveillance, plume tracking, and reconnaissance in a compact phalanx. Numerous works on cooperative swarms of unmanned ground and aerial vehicles have been conducted with target applications of cooperative environment monitoring, simultaneous localization and mapping, convoy protection, and moving target localization and tracking. Additionally, progress has been made in the application of autonomous swarms in the field of manufacturing, known as swarm 3D printing. This is particularly useful for the production of large structures and components, where traditional 3D printing is not able to be utilized due to hardware size constraints. Miniaturization and mass mobilization allows the manufacturing system to achieve scale invariance, not limited in effective build volume. While in its early stage of development, swarm 3D printing is currently being commercialized by startup companies. Using the Rapid Induction Printing metal additive manufacturing process, Rosotics was the first company to demonstrate swarm 3D printing using a metallic payload, and the only to achieve metallic 3D printing from an airborne platform.

Ұшқыштар тобы

Ұшқышсыз әуе аппараттары (дрон) нысана іздеу, дрон көрсетілімдері және жеткізу мақсатында қолданылады. Дрон көрсетілімі көбінесе түнде көркемдік эффект немесе жарнама үшін бірнеше шамдалған дронды пайдаланады. Дрон тобы бір уақытта бірнеше жүктерді бір мезгілде бір орынға жеткізе алады, сондай-ақ жеке дронның жүк көтеру қабілеті мен батареясының шектеулерін жеңе алады. Дрон тобы ауа кедергісінен туындайтын жалпы энергия шығынын азайту үшін әртүрлі ұшу формацияларын қолдануы мүмкін. Дрон тобын басқару адам факторы мен операторға байланысты қосымша басқару қиындықтарын тудыруы мүмкін. Мұндай жағдайларда, әртүрлі дрон арасында назар аударудың жиі өзгеруіне байланысты бірнеше дронмен өзара әрекеттесу кезінде жоғары когнитивтік жүктеме мен күрделілік пайда болуы мүмкін. Оператор мен дрон тобы арасындағы байланыс та маңызды аспекті болып табылады.

Акустикалық үйірмелер

2023 жылы Вашингтон университеті мен Microsoft зерттеушілері пішінін өзгертетін ақылды динамиктер құруға арналған кішкентай роботтардың акустикалық тобын көрсетті. Оларды бөлмедегі белгілі бір аймақтан келетін дыбыстарды күшейту немесе басу арқылы акустикалық ортаны басқару үшін қолдануға болады. Мұнда кішкентай роботтар сантиметрлік дәлдікпен өзара жұмыстеседі, бір-бірімен дыбыс сигналдарын пайдаланады және камерасыз навигация жасайды. Бұл топтық құрылғылар сымсыз микрофондардың таратылған және қайта конфигурацияланатын массивін құру үшін бетке таралады. Содан кейін олар автоматты түрде зарядталатын зарядтау станциясына оралады.