Una nuova strategia di riconfigurazione per robot modulari ispirata alla piegatura degli origami

I ricercatori del Reconfigurable Robotics Lab (RRL) della 脡cole Polytechnique F茅d猫rale de Lausanne (EPFL) hanno recentemente sviluppato un nuovo approccio per la riconfigurazione di robot modulari che si ispira all’arte dell’origami. Questo metodo, delineato in un articolo pubblicato su Sage’s Giornale internazionale di ricerca roboticaelimina le modifiche alla connettività durante la trasformazione di un sistema.

I robot modulari riconfigurabili sono sistemi versatili che possono trasformare la loro forma per eseguire compiti diversi in una varietà di ambienti. Ciò può essere particolarmente utile in contesti basati su missioni, come lo spazio, il riconoscimento, il campionamento o le operazioni di ricerca e salvataggio. In questi casi, i robot convenzionali a morfologia fissa potrebbero avere difficoltà ad adattarsi ad ambienti complessi e incerti, mentre i sistemi robotici modulari possono riconfigurarsi e adattarsi autonomamente a nuove circostanze.

La riconfigurabilità dei sistemi modulari si ottiene modificando la morfologia della loro struttura complessiva, nonché collegando e scollegando i loro moduli. Nonostante i notevoli vantaggi dell’utilizzo di questi sistemi, l’elevato numero di singoli componenti e gradi di libertà (DoF) coinvolti rende estremamente difficile la modifica della loro configurazione.

Per pianificare e ottimizzare questo processo, studi passati hanno proposto una varietà di approcci, che possono essere suddivisi in due categorie principali. La prima categoria prevede la configurazione di destinazione dividendo l’architettura modulare del sistema in diversi insiemi di moduli, che possono semplificare il processo di riconfigurazione. Questi approcci possono facilitare la progettazione della configurazione finale per compiti specifici, ma non riescono ad affrontare il processo di riconfigurazione dinamica.

Un altro approccio all’ottimizzazione della riconfigurazione consiste nel ridurre al minimo il numero di modifiche alla connettività quando il sistema si sta trasformando nella forma desiderata. Sebbene questi pianificatori di riconfigurazione mirino a ridurre il numero di modifiche alla connettività, richiedono comunque una qualche forma di disconnessione e connessione tra i moduli nel processo. Queste modifiche alla connettività richiedono molto tempo, possono causare complicazioni nella trasformazione complessiva e possono comportare un disallineamento, che porta al guasto meccanico del sistema.

Affrontando i limiti degli approcci esistenti, il team di ricercatori di RRL ha introdotto una nuova strategia per pianificare la riconfigurazione dei sistemi robotici modulari, che attinge dal processo di piegatura degli origami. L’origami è l’arte tradizionale giapponese di piegare fogli di carta piatti in una varietà di oggetti o forme 3-D.

“Il nostro metodo consiste in un pianificatore di riconfigurazione ottimale dal punto di vista energetico che genera uno schema di assemblaggio 2-D iniziale e una sequenza di attuazione delle unità modulari, entrambi con conseguente consumo energetico minimo”, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.

Il framework algoritmico ideato dai ricercatori comprende due componenti principali: un algoritmo di modellazione automatica e un algoritmo euristico. L’algoritmo di modellazione automatica genera il modello cinematico e la derivazione dinamica degli aggregati robotici, calcolando il consumo di coppia dei modelli di pre-piegatura per sequenze di piegatura predefinite e utilizzando la pianificazione del movimento per considerare lo spessore della struttura. L’algoritmo euristico, d’altra parte, include un pianificatore di layout 2D ottimale seguito da due pianificatori di sequenze di piegatura: un pianificatore di attuazione unificato per diversi layout e un pianificatore ottimale all’interno di un layout specifico.

Il nuovo approccio ideato presso RRL affronta efficacemente il problema NP-completo della pianificazione della riconfigurazione energeticamente ottimale nei robot modulari, generando schemi di riconfigurazione energeticamente ottimali per l’assemblaggio iniziale e la sequenza di piegatura dei moduli del sistema. I ricercatori hanno valutato la loro strategia utilizzando simulazioni su Mori, una piattaforma robotica modulare, e hanno ottenuto risultati molto promettenti.

“Dimostriamo l’efficacia del nostro metodo applicando gli algoritmi a Mori, un robot origami modulare, nella simulazione”, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. “I nostri risultati mostrano che l’algoritmo euristico produce schemi di riconfigurazione di alta qualità, rispetto all’algoritmo di modellazione automatica, risparmiando contemporaneamente una notevole quantità di tempo e fatica di calcolo”.