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Kilobot成群

2012年4月11日
克里斯蒂安·阿勒(Christian Ahler)帮助开发了用于研究群体机器人的微型机器人Kilobot。科技编辑Bill Wong与Christian谈论这些微型机器人的设计和未来。

Kilobot(图1)是一种廉价的微型机器人,因为Kilobot的研究将依赖于拥有大量的Kilobot。这种类型的合作操作通常被称为“群体机器人”。这是哈佛大学(Harvard University)的克里斯蒂安•阿勒(Christian Ahler)正在研究的一个领域小虫群进入哈佛大学).

微型机器人运行一个爱特梅尔公司atmega328具有32k字节的flash和1k字节的EEPROM,用于存储校准值。该芯片还有2k字节的SRAM。它有三条固定腿和一对振动电机,可以让Kilobot向任何方向移动。

我最近和克里斯蒂安谈到了Kilobot和群机器人。


图1所示。微型的Kilobot运行着一台爱特梅尔ATmega 328。Kilobot通过振动来使用它的三条固定腿来移动。它使用红外通信与附近的Kilobots进行交流。

王:首先,你能给我们简单介绍一下Kilobots吗?

ahl:在哈佛大学的维斯研究所自组织系统研究组(SSR)长期以来,我们一直梦想有一个机器人平台,能够像一大群人一样行动。我们想出了Kilobots。这些原型已经在我们的实验室中运行了我们现在离这个目标很近了。一个Kilobot是四分之一。这个机器人能够四处移动,并与它的邻居交流。它包含一个Atmel微处理器,使机载处理。它的两个振动电机可以实现机器人的差动驱动,而通信是通过从它工作的表面反弹的红外光来完成的。首先,Kilobot是一种廉价的机器人,既可以买到完全组装好并随时使用,也可以通过其开源文档从头开始构建,这使得它更便宜。

它可以通过一个头顶控制器进行编程和控制,闪烁/编程所有具有预期行为的机器人。这个空中控制器还用于启动和停止机器人,检查电池电量和执行其他一些功能。作为一个集体,Kilobots是一个低成本的平台,旨在开发新的和测试现有的机器人算法,如生物启发的群体行为。Kilobots为在实际硬件上测试此类应用程序和算法提供了一个非常容易访问的资源。

王:比如速度,电池寿命等等?

ahl:Kilobots不是比赛机器人,但它们的速度比你想象的要快。当月亮在正确的位置时,它们的速度几乎是2厘米/秒,但它们的规格是1厘米/秒多一点。在持续运动的情况下,操作时间约为3小时。当它们只是在处理数据和通信时,运行时间超过24小时,待机模式下运行数月。低功耗是Kilobots的魅力所在。虽然许多其他的机器人平台只有非常有限的操作时间之前,他们必须充电,这些家伙不介意等待其他群体就位。

王:Kilobot是如何移动的?它的移动有多精确?

ahl:Kilobots通过控制两个振动电机来移动,这两个电机的类型与你的手机相同,而且运动是基于类似的微振动。同样的原理也适用于当你把手机放在桌子上,振动器就会响。Kilobots实际上是向前跳跃,但是垂直跳跃非常小,以至于你看不到它们离开桌面。它们会飞一段时间。机器人精确控制运动,以确保运动保持节能,节省电池的工作时间延长。

王:千兆机器人如何互相沟通?

ahl:通信和感知是千兆机器人行为的重要组成部分。正是这些因素使得Kilobots能够像一个集体一样行动,也就是通过响应和影响它们的邻居。通信是通过调制的红外光完成的,这些红外光从机器人的中心,底部发射和接收。你可以对Kilobots进行编程,让它对一个普通的电视遥控器做出反应,这很有趣。

王:有没有一种方法可以让所有的kilobot在一个群体中交流和编程?

ahl:千兆机器人被设计成数以万、数以万计的群体。我们的目标是1024个。这样就能说出机器人名字的由来了。在处理这么多机器人的时候,需要考虑很多因素,包括如何编程和控制它们。一个例子是开关机器人。想象一下,你非常快,可以拿起一个机器人,打开或关闭它,然后在3秒内把它放回桌子上。当拥有一公斤的机器人时,这将花费你一个小时,而且没有休息。这当然是不切实际的。当有这么多机器人时,还会出现其他一些问题。这就是为什么我们设计了一个可以通过在图形用户界面上的一次点击来控制整个蜂群的控制器。 We can send commands to all robots, such as start running the developed behavior, pause, sleep, load a new program into the memory, and more complex commands such as move to the charging zone and charge your batteries.

王:你是怎么想到Kilobot的设计的?

ahl:在SSR我们进行广泛的研究,多是基于自组织的机器人和蜂群算法,所以它有很长一段时间被我们的梦想设计一个机器人足够便宜,我们可以实现显著大量形成一个“真实”的群体。因此,Kilobots已经是SSR实验室的一部分了。机器人本身的灵感很大程度上来自雅典国立技术大学的Panagiotis Vartholomeos和Evangelos Papadopoulos所做的有趣的工作。更多信息请参阅发表在2006年IEEE机器人与自动化国际会议论文集上的文章“由两个向心力驱动器驱动的平面微机器人的分析、设计和控制”。

王:Kilobot的设计是如何演变的?

ahl:Kilobots一开始只是一个非常简单的机器人。现在在我们架子上的第一代产品只有两个振动电机和一个电池盒,仅此而已。kilbot逐渐进化,现在由红外发射器和传感器、可调谐放大器、晶体管和微控制器等多个组件组成。目前这一代的Kilobots已经处于可以用于研究和教学的状态。我们很高兴看到这将带来什么。

王:与单一的kilobot相比,使用大量的kilobot你能做什么?

ahl:一个单一的Kilobot可以被编程和控制,就像拥有一群Kilobot一样。一个单独的机器人也适合于新行为的初始测试。然而,kkilobot平台的真正力量是在kkilobot开始聚集并与它们的邻居交流,并根据群体中其他个体的行为形成闭环行为时才被充分揭示的。

在SSR,我们已经开发了数年的群算法。到目前为止,我们只能在模拟和实际的少于20个个体的机器人群体中进行测试。我们迫切需要一个低成本的机器人平台,能够像成千上万的个体一样在群体中工作。现在,我们可以利用Kilobots来合成和分析大规模的群体算法,这些算法通常是受生物启发的。

王:谁能买一个kilbot ?

ahl:随着平台的成功,我们最近决定做两件事。目前我们花了很多时间在(1)商业化和(2)开源平台上。任何对机器人和Kkilobots感兴趣的人都应该先去YouTube上看看这些视频,然后到哈佛大学威斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for bioinspired Engineering)的SSR网站上看看。在那里你可以找到关于如何获得自己的Kilobots和头顶控制器的描述。这很容易,你可以买不到一公斤。

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