Увод у ројевску роботику

Интеракција, разумевање и реаговање на ситуацију су неке од највећих особина људи и то су ствари које нас чине оним што јесмо. Рођени смо да живимо у социјалном друштву и одувек смо о себи знали да смо најузгојеније друштвено створење познато од стварања ове планете.

Друштвена култура и међусобна интеракција ради постизања заједничког циља не могу се наћи само код људи већ и код других врста ове планете, попут јата птица, риба или пчела, све што им је заједничко јесте колективно понашање. Када птице мигрирају често виђене, оне се налазе у групи коју предводи водећи члан њихове групе и све их прате, а њихова група је дизајнирана у одређеним геометријским облицима, иако птице немају осећај за облике и фигуре и такође је група направљена тако да су старији чланови групе на границама, док су млади или новорођенчад у центру.

Исте карактеристике имају и мрави ватрогасци, ти мрави се мало разликују од осталих врста мрава и посебно су познати по понашању у групи, заједно граде, једу заједно и бране своје колоније од плена заједно, у основи знају могу постићи више када су у групи. Недавно је спроведено истраживање о групном понашању ових мрава у којем је утврђено да су способни да направе јаке конструкције кад год је то потребно, на пример када је потребно за стварање малог моста за укрштање.

Колективно понашање ових друштвених животиња и помоћ инсеката помажу им да постигну више упркос свим њиховим ограничењима. Истраживачи су показали да појединцима из ових група није потребно представљање или софистицирано знање да би произвели тако сложена понашања. Код социјалних инсеката, животиња и птица појединци нису обавештени о глобалном статусу колоније. Знање о роју дистрибуира се кроз све агенсе, где појединац није у стању да изврши свој задатак без остатка роја. Шта ако се ово колективно очитавање може увести у групу робота? То је оно што је ројевска роботика и о томе ћемо детаљно сазнати у овом чланку .

Роботи као део роја

Наше окружење у којем живимо је веома инспиративно за нас, многи од нас инспирацију за свој рад узимају из природе и околине, познати проналазачи попут Леонарда да Винција то су учинили веома добро и то се може видети у његовим дизајном у данашњем свету такође чине да исти процес ради за нас у решавању дизајнерских и инжењерских проблема попут носа возова са метком инспирисаних кљуном замора тако да има већу брзину и буде енергетски ефикаснији и производи релативно мање буке док пролази тунели и за то постоји појам који је познат као Биомимицри.

Дакле, за решавање сложених задатака где је људска интервенција тешка и која има већу сложеност од онога што треба да буде више од обичног робота, као што је случај, када се зграда сруши због земљотреса, а људи депресивни под бетоном, то је сигурно захтева неку врсту робота који може да извршава више задатака одједном и довољно мали да прође кроз бетон и помаже да се прво добију информације о људском постојању, па шта вам падне на памет, група малих робота који су мали довољно и аутономно креирају свој начин и добијају информације, а то сигурно опонаша некакав рој инсеката или муха и отуда где рој роботика долази на прво место, а овде је она формалнија. Ројска роботикаје поље мулти-роботике у којем се велик број робота координира на дистрибуиран и децентрализован начин. заснован је на употреби локалних правила, малим једноставним роботима инспирисаним колективним понашањем социјалних инсеката, тако да велики број једноставних робота може надмашити сложени задатак на ефикаснији начин од једног робота, дајући робусност и флексибилност групи.

Организације и групе настају из интеракција између појединаца и између појединаца и окружења које их окружује, те интеракције су раштркане по колонији, тако да колонија може да реши задатке које је тешко решити појединац, што значи радити на заједничком циљу.

Како је Ројачка роботика инспирисана социјалним инсектима

Мулти-роботски системи одржавају неке од карактеристика друштвених инсеката попут робусности, рој робота може радити чак и ако неки појединци не успеју или ако дође до поремећаја у околном окружењу; флексибилност, рој је у стању да креира различита решења за различите задатке и може да промени сваку улогу робота у зависности од тренутка. Скалабилност, рој робота је способан да ради у различитим величинама група, од неколико појединаца до хиљада њих.

Карактеристике роја робота

Као што је речено, једноставни роботски рој добија карактеристике друштвених инсеката који су наведени на следећи начин

1. Рој робота мора бити аутономан и способан да осећа и делује у стварном окружењу.

2. Број робота у роју мора бити довољно велик да сваки њихов задатак подржи као групу коју морају извршити.

3. У роју треба да постоји хомогеност, у роју могу бити различите групе, али не би их требало бити превише.

4. Један рој роја мора бити неспособан и неефикасан у односу на свој главни циљ, односно треба да сарађују како би успели и побољшали перформансе.

5. Сви роботи морају да имају само локалне сензорске и комуникационе могућности са суседним партнером роја, то осигурава расподелу координације роја и скалабилност постаје једно од својстава система.

Мулти-роботички системи и ројевска роботика

Ројска роботика је део мулти-роботског система и као група имају неке карактеристике својих више оса које дефинишу њихово групно понашање

Колективна величина: Колективна величина је СИЗЕ-ИНФ која је Н >> 1 која је супротна СИЗЕ-ЛИМ, где је број Н робота мањи од њихове величине околине у коју су стављени.

Опсег комуникације: Опсег комуникације је ЦОМ-НЕАР, тако да роботи могу комуницирати само са роботима који су довољно близу.

Комуникациона топологија: Комуникациона топологија за роботе у роју би углавном била ТОП-ГРАФ, роботи су повезани у општу топологију графа.

Пропусни опсег комуникације: Пропусни опсег комуникације је БАНД-МОТИОН, трошкови комуникације између два робота једнаки су премештању робота између локација.

Колективна реконфигурабилност: Колективна реконфигурабилност је углавном АРР-ЦОММ, ово је координисани аранжман са члановима који комуницирају, али такође може бити АРР-ДИН, односно динамички аранжман, положаји се могу насумично мењати.

Процесна способност: Процесна способност је ПРОЦ-ТМЕ, где је рачунски модел еквивалентан машини за подешавање.

Колективни састав: Колективни састав је ЦМП-ХОМ, што значи да су роботи хомогени.

Предности система више роботике у поређењу са једним роботом

Паралелизам задатка: Сви знамо да се задаци могу раставити и сви смо свесни агилне методе развоја, па помоћу паралелизма групе могу да изврше задатак ефикасније.
Омогућавање задатка: Група је моћнија од једне, а исто се односи и на ројачку роботику, где група робота може задати задатак да изврши одређени задатак који је немогућ за једног робота
Дистрибуција у осетљивости : Како рој има колективно осетљивост, тако има и шири опсег осетљивости од домета једног робота.
Дистрибуција у акцији: Група робота може истовремено покретати различите акције на различитим местима.
Толеранција грешака: Отказ једног робота у роју робота унутар групе не значи да ће задатак пропасти или да се не може извршити.

Експерименталне платформе у ројевској роботици

Постоје различите експерименталне платформе које се користе за ројевску роботику која подразумева употребу различитих експерименталних платформи и различитих роботских симулатора за стимулисање окружења ројевске роботике без стварног хардвера.

1. Роботске платформе

Различите роботске платформе користе се у различитим ројно-роботским експериментима у различитим лабораторијама

(и) Свармбот

Коришћени сензори: има разне сензоре за помоћ боту који укључују сензоре домета и камеру.

Кретање: Користи точкове за премештање са једног на други.

Развио: Развио га је Универзитет Рице, САД

Опис: СвармБот је роботска платформа за ројење коју је за истраживање развио Универзитет Рице. Може аутономно радити приближно 3 сата једног пуњења, такође су ови ботови самоомогућени да се пронађу и усидре у станице за пуњење постављене на зидовима.

(ии) Кобот

Коришћени сензори: Укључује употребу сензора даљине, сензора вида и компаса.

Кретање: Користи точкове за њихово кретање

Развио: Развијен је у истраживачкој лабораторији КОВАН на Блискоисточном техничком универзитету у Турској.

Опис: Кобот је посебно дизајниран за истраживање роботике ројева. Направљен је од неколико сензора који га чине савршеном платформом за извођење различитих ротираних ситуација у роју, попут координираног кретања. Може да ради аутономно 10 сати са једним пуњењем. Такође укључује заменљиву батерију која се ручно пуни и углавном се користи у примени сценарија самоорганизовања.

(иии) С-бот

Коришћени сензори: Користи разне сензоре да би ствари функционисале попут сензора за светлост, ИЦ, положај, силу, брзину, темп, влажност, убрзање и микрофон.

Покрет: За кретање користи дрвеће причвршћено за подножје.

Развио: Развио га је Ецоле Политецхникуе Федерале де Лаусанне (ЕПФЛ), Швајцарска.

Опис: С-бот је једна од неколико компетентних и значајних ројевских роботских платформи икад изграђених. има јединствени дизајн хватаљке способан да ухвати предмете и друге с-ботове. Такође, могу приближно вежбати 1 сат уз једно пуњење.

(ив) Јасминов робот

Коришћени сензори: Користи сензоре даљине и светлости.

Развио: Развио га је Универзитет у Стуттгарту, Немачка.

Кретање: креће се на точковима.

Опис: Јасминови мобилни роботи су ројасте роботске платформе које се користе у многим ротичким истраживањима ројева.

(в) Е-пак

Коришћени сензори: Користи разне сензоре попут растојања, камере, лежаја, убрзања и микрофона.

Развио: Ецоле Политецхникуе Федерале де Лаусанне (ЕПФЛ), Швајцарска

Покрет: Заснован је на кретању точка.

Опис: Е-пак је првенствено дизајниран у образовне сврхе и један је од најуспешнијих робота. Међутим, због своје једноставности, често се користи и у истраживањима роботске ројеве. Има корисничке заменљиве батерије са радним временом од 2-4 сата.

(ви) Килобот

Коришћени сензори: Користи комбинацију сензора даљине и светлости.

Развио: Универзитет Харвард, САД

Кретање: Користи вибрације система за кретање тела система.

Опис: Килобот је умерено скорашња роботска платформа са ројем са јединственом функцијом групног пуњења и групног програмирања. Због своје једноставности и мале потрошње енергије, време рада може да траје до 24 сата. Роботи се ручно пуне у групама у посебној станици за пуњење.

2. Симулатори

Роботски симулатори решавају проблем хардвера потребан за посао испитивања веродостојности ботова у вештачки симулираним параметрима стварног окружења.

Постоји много роботских симулатора који се могу користити за више роботске експерименте, тачније за роботске експерименте са ројевима и сви се разликују у својим техничким аспектима, али и у лиценци и трошковима. Неки од симулатора за ројевске ботове и мулти-роботске платформе су следећи:

СвармБот3Д: СвармБот3Д је симулатор за мулти-роботику, али дизајниран посебно за С-Бот робота пројекта СвармБот.
Мицрософт Роботицс Студио: Роботски студио је симулатор који је развио Мицрософт. Омогућава мулти-роботску симулацију и захтева покретање Виндовс платформе.
Веботс: Веботс је реалан мобилни симулатор који омогућава симулације са више робота, са већ изграђеним моделима правих робота. Може да симулира стварне сударе применом физике стварног света. Међутим, његове перформансе се смањују када радите са више од робота што отежава симулације са великим бројем робота.
Плаиер / стаге / Газебо: Плаиер / стаге / Газебо је симулатор отвореног кода са више роботских могућности и широким низом доступних робота и сензора спремних за употребу. Може да се носи са симулацијама роја-роботизованих експеримената у 2Д окружењу са врло добрим резултатима. Величина популације у окружењу може у реалном времену да достигне до 1000 једноставних робота.

Алгоритми и техника коришћени за различите задатке у ројачкој роботици

Овде ћемо истражити разне технике које се користе у рој роботици за разне једноставне задатке као што су агрегација, дисперзија итд. Ови задаци су основни почетни кораци за све врхунске раднике у ројевој роботици.

Агрегација: Агрегација спаја све ботове и то је заиста важан и почетни корак у другим сложеним корацима као што су формирање шаблона, самоокупљање, размена информација и колективни покрети. Робот користи своје сензоре попут сензора близине и микрофона који користи механизме за размену звука уз помоћ актуатора као што су звучници. Сензори помажу једном боту да пронађе најближег робота који се такође испоставља да је центар групе, где се бот мора концентрисати искључиво на другог бота који је у центру групе и доћи до њега и исти процес прате сви чланови роја који им допуштају да обједине све.

Дисперзија: Када се роботи скупе на једном месту, следећи корак је растурање у окружењу у којем раде као један саставни члан роја, а то такође помаже у истраживању околине сваки бот роја ради као један сензор када је остављен за истраживање. Предложени су и користе се различити алгоритми за распршивање робота, један од приступа укључује потенцијални пољски алгоритам за распршивање робота у којем се роботи одбијају од препрека и других робота који омогућавају ројном окружењу да се линеарно распрши.

Један од осталих приступа укључује дисперзију засновану на читању сигнала бежичног интензитета, сигнали бежичног интензитета омогућавају роботима да се разиђу без знања својих најближих суседа, они само хватају интензитет бежичне мреже и распоређују их како би их расејали у околном окружењу.

Формирање образаца: Формирање образаца у ројевој роботици главна је карактеристика њиховог колективног понашања, ти обрасци могу бити од велике помоћи када се жели решити проблем који укључује да цела група заједно ради. У формирању обрасца, ботови стварају глобални облик променом дела појединачних робота где сваки бот има само локалне информације.

Рој робота чини структуру са унутрашњим и спољашњим дефинисаним обликом. Правила због којих се честица / роботи агрегирају у жељеној формацији су локална, али се појављује глобални облик, без икаквих глобалних информација у вези са појединачним чланом роја. Алгоритам користи виртуелне опруге између суседних честица, узимајући у обзир колико суседа имају.

Колективни покрет: Шта значи тим ако сви не могу заједно да реше проблем, а то је најбољи део роја? Колективно кретање је начин на који се омогућава да се координира група робота и натера их да се заједно крећу као група на кохезиван начин. То је основни начин обављања неких колективних задатака и може се класификовати у две врсте формирања и јата.

Постоји много метода колективног кретања, али забрињавају само они који омогућавају скалабилност са све већим бројем робота, где сваки робот препознаје релативни положај свог суседа и реагује одговарајућим силама које би могле бити атрактивне или одбојне да би се створиле структуре за колективне покрете.

Додјела задатака: Додјела задатака је проблематично подручје ројевске роботике на основу подјеле рада. Међутим, постоје различите методе које се користе за поделу рада, једна од њих је да би сваки робот водио надзор над задацима другог робота и одржавао историју за исте, а касније могао да промени своје понашање како би се уклопио у задатак, овај метод заснован је на трачевој комуникацији и сигурно има своје предности бољих перформанси, али у исто време има заблуду да због ограничене робусности и губитка пакета током комуникације испадне мање скалабилан. У другој методи задатке најављују неки роботи и одређени број других робота истовремено их похађа, то је једноставна и реактивна метода.

Тражење извора: Ројска роботика је веома успешна у задатку претраживања извора, посебно када је извор за претрагу сложен, као у случају звука или мириса. Претраживање роботизације ројева врши се на два начина, један је глобални, други је локални, а разлика између њих је комуникација. Једна са глобалном комуникацијом међу роботима у којој су роботи у могућности да пронађу глобални максимални извор. Други је ограничен само на локалну комуникацију између робота да би се пронашли локални максимуми.

Транспорт предмета: Мрави имају колективни превоз предмета где појединачни мрав чека другог партнера за сарадњу ако је предмет који се превози претежак. Под истим светлосним роботима, рој чини да ствари функционишу на исти начин где сваки робот има предност да добије сарадњу од других робота за транспорт предмета. С-ботови нуде одличну платформу за решавање проблема транспорта где се сами састављају да би сарађивали и њихов алгоритам се увећава ако је предмет који треба да се транспортује тежак.

Друга метода је колективни транспорт предмета где се предмети сакупљају и чувају за каснији транспорт, овде роботи имају два различита задатка - сакупљање предмета и њихово стављање у колица, и колективно померање колица која носе те предмете.

Колективно мапирање: Колективно мапирање се користи за истраживање и мапирање великих затворених површина помоћу великог броја робота.

Једном методом мапирање врше две групе од два робота, који размењују информације како би објединили мапе. Друга метода је заснована на улогама у којој робот може преузети било коју од две улоге које се крећу или оријентир коју може заменити за кретање роја. Такође, роботи имају одређену процену свог положаја, па морају да процене и локацију осталих робота како би направили колективну мапу.

Примена ројевске роботике у стварном свету

Иако је опсежно истраживање роботике ројева почело око 2012. године, до сада није изашло са комерцијалном реалном апликацијом, користи се у медицинске сврхе, али не у толикој мери и још увек је на тестирању. Постоје разни разлози што ова технологија не излази на тржиште.

Дизајнирање алгоритма за појединца и за глобално: колективно понашање роја долази од појединца који захтева дизајн једног робота и његовог понашања, а тренутно не постоји метода преласка са индивидуалног на групно понашање.

Испитивање и примена: Опсежни захтеви за лабораторије и инфраструктуру за даљи развој.

Анализа и моделирање: Разни основни задаци који се изводе у ројевској роботици сугеришу да су они нелинеарни, па је изградња математичких модела за њихов рад прилично тешка

Поред ових изазова, постоје и други безбедносни изазови за појединца и рој због њиховог једноставног дизајна

(и) Физичко хватање робота.

(ии) Идентитет особе у роју, коју робот мора знати да ли комуницира са роботом свог роја или другим ројем.

(иии) Комуникацијски напади на појединца и рој.

Главни циљ ројевске роботике је да покрије широк регион где би се роботи могли разићи и обављати своје задатке. Они су корисни за откривање опасних догађаја попут цурења, нагазних мина итд. А главна предност дистрибуиране и покретне мреже сензора је та што може осетити широко подручје и чак деловати на њега.

Примене ројевске роботике заиста обећавају, али још увек постоји потреба за њеним развојем како у алгоритамском, тако и у моделарском делу.