Introdução à robótica de enxame

Interagir, entender e então responder à situação são algumas das maiores características dos humanos e são essas coisas que nos tornam o que somos. Nascemos para viver em uma sociedade social e sempre soubemos que somos a criatura social mais bem-educada que se conhece desde a criação deste planeta.

A cultura social e a interação entre si para ajudar em um objetivo comum não é encontrada apenas em humanos, mas também em outras espécies deste planeta como um bando de pássaros ou peixes ou abelhas, todos eles têm algo em comum que eles estão tendo um comportamento coletivo. Quando os pássaros migram, é frequentemente visto que eles estão em um grupo liderado pelo membro líder de seu grupo e todos os seguem e seu grupo é desenhado em formas geométricas particulares, apesar de os pássaros não terem noção das formas e figuras e também o grupo é feito de forma que os membros mais velhos do grupo fiquem nos limites, enquanto os mais jovens ou os recém-nascidos ficam no centro.

As mesmas características são encontradas nas formigas de fogo, essas formigas são um pouco diferentes das outras espécies de formigas e são especialmente conhecidas por seu comportamento de grupo, elas constroem juntas, comem juntas e defendem suas colônias das presas juntas, basicamente elas sabem eles podem conseguir mais quando estão em um grupo. Um estudo recente estava sendo realizado sobre o comportamento de grupo dessas formigas em que se descobriu que elas eram capazes de fazer estruturas fortes sempre que necessário, como quando necessário para criar uma pequena ponte para cruzamento.

O comportamento coletivo desses animais sociais e dos insetos os ajuda a alcançar mais, apesar de todas as suas restrições. Os pesquisadores demonstraram que os indivíduos desses grupos não precisam de nenhuma representação ou conhecimento sofisticado para produzir tais comportamentos complexos. Nos insetos sociais, os animais e pássaros não são informados sobre o status global da colônia. O conhecimento do enxame é distribuído por todos os agentes, onde um indivíduo não é capaz de realizar sua tarefa sem o resto do enxame. E se esse sensoriamento coletivo puder ser trazido para um grupo de robôs? Isso é o que é a robótica de enxame e aprenderemos sobre isso em detalhes neste artigo .

Robôs como parte de um Enxame

Nosso ambiente em que vivemos é muito inspirador para nós, muitos de nós nos inspiramos para seus trabalhos da natureza e do meio ambiente, inventores famosos como o Leonardo da Vinci fizeram isso muito bem e podem ser vistos em seus projetos no mundo de hoje nós também estão fazendo o mesmo processo funcionar para nós para resolver os problemas de design e engenharia, como o nariz dos trens-bala são inspirados no bico do guarda-rios para que tenha mais velocidade e seja mais eficiente em termos de energia e produza relativamente menos ruído ao passar os túneis e há um termo cunhado para isso e é conhecido como Biomimetismo.

Então, para resolver as tarefas complexas onde a intervenção humana é difícil e tem maior complexidade do que precisa ser mais do que apenas um robô médio como certos casos de uso onde um prédio desabou devido a um terremoto e as pessoas estão deprimidas sob o concreto, certamente este problema requer algum tipo de robô que pode executar várias tarefas ao mesmo tempo e pequeno o suficiente para atravessar o concreto e ajudar a obter as informações da existência humana em primeiro lugar, então o que vem à sua mente, um grupo de pequenos robôs que são pequenos suficiente e autonomamente criar seu próprio caminho e obter a informação e certamente imita algum tipo de enxame de insetos ou moscas e, portanto, onde a robótica de enxame vem em primeiro lugar e aqui está o mais formal. Robótica de enxameé um campo da multirobótica em que um grande número de robôs são coordenados de forma distribuída e descentralizada. é baseado no uso de regras locais, pequenos robôs simples inspirados no comportamento coletivo de insetos sociais para que um grande número de robôs simples possam superar uma tarefa complexa de forma mais eficiente do que um único robô, dando robustez e flexibilidade ao grupo.

Organizações e grupos surgem das interações entre os indivíduos e entre os indivíduos e o ambiente envolvente, essas interações estão espalhadas por toda a colônia e assim a colônia pode resolver tarefas que são difíceis de resolver por um único indivíduo, o que significa trabalhar para um objetivo comum.

Como a Swarm Robotics é inspirada nos Insetos Sociais

Os sistemas multi-robóticos mantêm algumas das características dos insetos sociais como robustez, o enxame de robôs pode funcionar mesmo se alguns dos indivíduos falharem ou se houver interrupções no ambiente circundante; flexibilidade, os enxames são capazes de criar soluções diferentes para tarefas diferentes e são capazes de mudar cada função do robô dependendo da necessidade do momento. Com escalabilidade, o enxame de robôs é capaz de trabalhar em grupos de diferentes tamanhos, de alguns indivíduos a milhares deles.

Características do Enxame de Robôs

Como o referido enxame robótico simples adquire uma característica de insetos sociais que são listados a seguir

1. O enxame de robôs deve ser autônomo e capaz de sentir e agir em ambiente real.

2. O número de robôs em um enxame deve ser grande o suficiente para dar suporte a todas as suas tarefas como um grupo que eles devem realizar.

3. Deve haver homogeneidade no enxame, pode haver grupos diferentes no enxame, mas eles não devem ser muitos.

4. Um único robô do enxame deve ser incapaz e ineficiente em relação ao seu objetivo principal, ou seja, precisa colaborar para ter sucesso e melhorar o desempenho.

5. Todos os robôs precisam ter apenas capacidades de detecção e comunicação locais com o parceiro vizinho do enxame, isso garante que a coordenação do enxame seja distribuída e a escalabilidade se torne uma das propriedades do sistema.

Sistemas multi-robótica e robótica de enxame

A robótica de enxame é uma parte do sistema multi-robótico e como um grupo, eles têm algumas características em seus múltiplos eixos que definem seu comportamento de grupo

Tamanho do coletivo: O tamanho do coletivo é o SIZE-INF que é N >> 1 que é oposto ao SIZE-LIM, onde o número de N do robô é menor que o seu respectivo tamanho de ambiente em que são colocados.

Alcance de comunicação: O alcance de comunicação é COM-NEAR, de forma que os robôs só podem se comunicar com os robôs que estão próximos o suficiente.

Topologia de comunicação: a topologia de comunicação para os robôs no enxame seria geralmente TOP-GRAPH, os robôs são vinculados em uma topologia de gráfico geral.

Largura de banda de comunicação: a largura de banda de comunicação é BAND-MOTION, o custo de comunicação entre os dois robôs é o mesmo que mover os robôs entre locais.

Recounfigrabilidade coletiva: A reconfigurabilidade coletiva é geralmente ARR-COMM, este é um arranjo coordenado com os membros que se comunicam, mas também pode ser ARR-DYN, que é o arranjo dinâmico, as posições podem mudar aleatoriamente.

Capacidade do processo: a capacidade do processo é PROC-TME, onde o modelo computacional é um equivalente de máquina de ajuste.

Composição coletiva: A composição coletiva é CMP-HOM, o que significa que os robôs são homogêneos.

Vantagens dos sistemas multi-robótica em comparação com um único robô

• Paralelismo de Tarefas: Todos sabemos que as tarefas podem ser decompostas e todos conhecemos o método de desenvolvimento ágil, portanto, usando o paralelismo, os grupos podem fazer para executar a tarefa de forma mais eficiente.
• Capacitação de tarefas: um grupo é mais poderoso do que um único e o mesmo se aplica à robótica de enxame, onde um grupo de robôs pode fazer tarefas realizar certas tarefas que são impossíveis para um único robô
• Distribuição na detecção: Como o enxame tem uma detecção coletiva, ele tem uma faixa de detecção mais ampla do que o alcance de um único robô.
• Distribuição em ação: um grupo de robôs pode realizar ações diferentes em locais diferentes ao mesmo tempo.
• Tolerância a Falhas: A falha de um único robô em um enxame de robôs em um grupo não significa que a tarefa irá falhar ou não poderá ser realizada.

Plataformas experimentais em robótica de enxame

Existem diferentes plataformas experimentais usadas para robótica de enxame, que envolve o uso de diferentes plataformas experimentais e diferentes simuladores robóticos para estimular o ambiente de robótica de enxame sem o hardware real necessário.

1. Plataformas robóticas

Diferentes plataformas robóticas são usadas em diferentes experimentos robóticos de enxame em diferentes laboratórios

(i) Swarmbot

Sensores utilizados: possui diversos sensores para auxiliar o robô a sair, incluindo sensores de alcance e câmera.

Movimento: usa rodas para passar de um para o outro.

Desenvolvido por: É desenvolvido pela Rice University, EUA

Descrição: SwarmBot é uma plataforma robótica de enxame desenvolvida para pesquisa pela Rice University. Ele pode funcionar de forma autônoma por aproximadamente 3 horas com uma única carga, além disso, esses bots são auto-habilitados para encontrar e se encaixar em estações de carregamento colocadas nas paredes.

(ii) Kobot

Sensores usados: Envolve o uso de sensor de distância, sensores de visão e bússola.

Movimento: usa rodas para seu movimento

Desenvolvido por: É desenvolvido no Laboratório de Pesquisa KOVAN na Middle East Technical University, Turquia.

Descrição: Kobot é projetado especificamente para a pesquisa em robótica de enxame. É feito de vários sensores que o tornam uma plataforma perfeita para executar várias situações robóticas de enxame, como movimento coordenado. Pode funcionar de forma autônoma por 10 horas com uma única carga. Também inclui uma bateria substituível que deve ser recarregada manualmente e é usada principalmente na implementação de cenários de auto-organização.

(iii) S-bot

Sensores usados: faz o uso de vários sensores para fazer as coisas funcionarem como sensores de luz, infravermelho, posição, força, velocidade, temperatura, umidade, aceleração e um microfone.

Movimento: faz uso de árvores presas a sua base para seus movimentos.

Desenvolvido por: É desenvolvido pela École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suíça.

Descrição: S-bot é uma das várias plataformas robóticas de enxame competentes e substanciais já construídas. ele tem um design de garra exclusivo capaz de prender objetos e outros s-bots. Além disso, eles podem malhar por aproximadamente 1 hora com uma única carga.

(iv) Robô Jasmim

Sensores utilizados: Faz uso de sensores de distância e luz.

Desenvolvido por: É desenvolvido pela Universidade de Stuttgart, Alemanha.

Movimento: faz seu movimento sobre as rodas.

Descrição: Os robôs móveis Jasmine são plataformas robóticas de enxame que são usadas em muitas pesquisas robóticas de enxame.

(v) E-Puck

Sensores usados: ele usa uma variedade de sensores como distância, câmera, rumo, aceleração e um microfone.

Desenvolvido por: École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suíça

Movimento: é baseado no movimento da roda.

Descrição: O E-puck foi projetado principalmente para fins educacionais e é um dos robôs de maior sucesso. No entanto, devido à sua simplicidade, é frequentemente empregado também na pesquisa de robótica de enxame. Possui baterias substituíveis pelo usuário com um tempo de trabalho de 2 a 4 horas.

(vi) Quilobot

Sensores usados: Ele usa uma combinação de sensores de distância e luz.

Desenvolvido por: Harvard University, EUA

Movimento: usa vibrações do sistema para o movimento do corpo do sistema.

Descrição: Kilobot é uma plataforma robótica de enxame moderadamente recente com uma função única de carregamento de grupo e programação de grupo. Devido à sua simplicidade e baixo consumo de energia, possui um uptime de até 24 horas. Os robôs são carregados manualmente em grupos em uma estação de carregamento especial.

2. Simuladores

Simuladores robóticos resolvem o problema do hardware necessário para o trabalho de teste de credibilidade dos bots nos parâmetros do ambiente real simulados artificialmente.

Existem muitos simuladores robóticos que podem ser usados ​​para experimentos multi-robóticos, e mais especificamente para os experimentos robóticos de enxame e todos eles diferem em seus aspectos técnicos, mas também na licença e no custo. Alguns dos simuladores para os bots de enxame e plataformas multi-robóticas são os seguintes:

• SwarmBot3D: SwarmBot3D é um simulador para a multirobótica, mas projetado especificamente para o robô S-Bot do projeto SwarmBot.
• Microsoft Robotics Studio: O estúdio robótico é um simulador desenvolvido pela Microsoft. Ele permite simulação multi-robótica e requer a plataforma Windows para funcionar.
• Webots: Webots é um simulador móvel realista que permite simulações multi-robôs, com modelos já construídos dos robôs reais. Ele pode simular colisões reais aplicando a física do mundo real. Porém, seu desempenho diminui ao trabalhar com mais do que robôs, dificultando as simulações com um grande número de robôs.
• Player / stage / Gazebo: Player / stage / Gazebo é um simulador de código aberto com recursos multi-robóticos e um amplo conjunto de robôs disponíveis e sensores prontos para uso. Ele pode lidar bem com as simulações dos experimentos robóticos de enxame em um ambiente 2D com resultados muito bons. O tamanho da população no ambiente pode ser dimensionado para até 1.000 robôs simples em tempo real.

Algoritmos e técnica usados ​​para várias tarefas em Robótica de Enxame

Aqui vamos explorar as várias técnicas usadas na robótica de enxame para várias tarefas simples, como agregação, dispersão, etc. Essas tarefas são as etapas iniciais básicas para todos os profissionais de ponta que trabalham em robótica de enxame.

Agregação: Agregação é reunir todos os bots e é realmente importante e uma etapa inicial em outras etapas complexas, como formação de padrões, automontagem, troca de informações e movimentos coletivos. Um robô usa seus sensores, como sensores de proximidade e microfone, que usa mecanismos de troca de som com a ajuda do atuador, como alto-falantes. Os sensores ajudam um único bot a encontrar o robô mais próximo, que também é o centro do grupo, onde o bot deve se concentrar exclusivamente no outro bot que está no centro do grupo e chegar até ele e o mesmo processo é seguido por todos os membros do enxame que os deixa agregar todos.

Dispersão: Quando os robôs são agregados em um único lugar, o próximo passo é dispersá-los no ambiente onde funcionam como um único membro constituinte do enxame e isso também ajuda na exploração do ambiente em que cada robô do enxame desenvolve como um único sensor quando é deixado para explorar. Vários algoritmos têm sido propostos e usados ​​para a dispersão dos robôs, uma das abordagens inclui o algoritmo de campo potencial para a dispersão dos robôs em que os robôs são repelidos pelos obstáculos e outros robôs que permitem que o ambiente do enxame se disperse linearmente.

Uma das outras abordagens envolve a dispersão baseada na leitura dos sinais de intensidade sem fio, os sinais de intensidade sem fio permitem que os robôs se dispersem sem o conhecimento de seus vizinhos mais próximos, eles apenas captam as intensidades sem fio e organizam-nas de forma a dispersá-las no ambiente circundante.

Formação de padrões: A formação de padrões na robótica de enxame é uma característica importante de seu comportamento coletivo; esses padrões podem ser muito úteis quando um problema a ser resolvido envolve todo o grupo trabalhando em conjunto. Na formação de padrões, os bots criam uma forma global alterando a parte dos robôs individuais onde cada bot tem apenas informações locais.

Um enxame de robôs forma uma estrutura com uma forma interna e externa definida. As regras que fazem a partícula / robôs se agregar na formação desejada são locais, mas uma forma global emerge, sem haver nenhuma informação global a respeito de um membro individual do enxame. O algoritmo usa molas virtuais entre as partículas vizinhas, levando em consideração quantos vizinhos elas possuem.

Movimento coletivo: Qual é o significado de uma equipe se todos eles não conseguem resolver o problema juntos e essa é a melhor parte de um enxame? O movimento coletivo é uma forma de deixar coordenar um grupo de robôs e fazer com que eles se movam juntos como um grupo de forma coesa. É uma forma básica de realizar algumas tarefas coletivas e pode ser classificada em dois tipos de formação e agrupamento.

Existem muitos métodos de movimento coletivo, mas apenas aqueles que permitem escalabilidade com um número crescente de robôs são de interesse, onde cada robô reconhece a posição relativa de seu vizinho e reage com as respectivas forças que podem ser atrativas ou repulsivas para formar estruturas para movimentos coletivos.

Alocação de tarefas: A alocação de tarefas é uma área problemática na robótica de enxame com base na divisão de trabalho. Porém, existem vários métodos utilizados para a divisão do trabalho, um deles é que cada robô manteria uma observação sobre as tarefas do outro robô e manteria o histórico para o mesmo e posteriormente poderá alterar seu próprio comportamento para se adequar à tarefa, este método é baseado na comunicação por fofoca e certamente tem seus prós de melhor desempenho, mas ao mesmo tempo tem a desvantagem de ser menos escalável devido à robustez limitada e à perda de pacotes durante a comunicação. No outro método, as tarefas são anunciadas por alguns dos robôs e um certo número de outros robôs as atendem simultaneamente, é um método simples e reativo.

Busca de uma fonte: a robótica do Swarm tem muito sucesso na tarefa de busca da fonte, especialmente quando a fonte para a busca é complexa como no caso de som ou odor. A busca pela robótica do enxame é feita de duas maneiras uma é global e a outra é local, e a diferença entre as duas é a comunicação. Um com a comunicação global entre os robôs em que os robôs são capazes de encontrar a fonte máxima global. O outro é restrito apenas à comunicação local entre os robôs para encontrar os máximos locais.

Transporte de objetos: As formigas possuem transporte coletivo de objetos onde uma formiga individual aguarda a cooperação do outro companheiro se o objeto a ser transportado for muito pesado. Sob os mesmos robôs leves, o enxame faz as coisas funcionarem da mesma maneira, onde cada robô tem a vantagem de obter a cooperação dos outros robôs para transportar os objetos. Os S-bots oferecem uma ótima plataforma para resolver o problema de transporte, onde eles se montam para cooperar e seu algoritmo aumenta se o objeto a ser transportado for pesado.

O outro método é o transporte coletivo de objetos onde os objetos são coletados e armazenados para transporte posterior, aqui os robôs têm duas tarefas diferentes - coletar os objetos e colocá-los em um carrinho, e coletivamente mover o carrinho que carrega esses objetos.

Mapeamento coletivo: o mapeamento coletivo é usado para a exploração e mapeamento de grandes áreas internas usando um grande número de robôs.

Em um método, o mapeamento é realizado por dois grupos de dois robôs, que trocam informações para mesclar os mapas. O outro método é baseado em funções em que o robô pode assumir qualquer uma das duas funções que estão se movendo ou de ponto de referência que eles podem trocar pelo movimento do enxame. Além disso, os robôs têm uma certa estimativa de sua posição, então devem fazer uma estimativa da localização dos outros robôs para construir um mapa coletivo.

A aplicação do mundo real da Swarm Robotics

Embora a extensa pesquisa sobre robótica de enxame tenha começado por volta de 2012 até agora, ela não saiu com a aplicação comercial no mundo real, ela está sendo usada para fins médicos, mas não em grande escala e ainda está em testes. Há várias razões para essa tecnologia não estar saindo comercialmente.

Projeto de Algoritmo para o Individual e o Global: O comportamento coletivo do enxame vem do indivíduo, que requer o projeto de um único robô e seu comportamento, e atualmente não existe nenhum método de ir do comportamento individual para o de grupo.

Teste e implementação: Requisitos extensivos para os laboratórios e infraestrutura para desenvolvimento posterior.

Análise e modelagem: As várias tarefas básicas realizadas na robótica de enxame sugerem que estas são não lineares e, portanto, construir os modelos matemáticos para o seu funcionamento é bastante difícil

Além desses desafios, existem outros desafios de segurança para o indivíduo e o enxame devido ao seu design simples

(i) Captura física dos robôs.

(ii) Identidade do indivíduo no enxame, que o robô deve saber se está interagindo com um robô de seu enxame ou outro enxame.

(iii) Ataques de comunicação ao indivíduo e ao enxame.

O objetivo principal da robótica de enxame é cobrir uma ampla região onde os robôs possam se dispersar e realizar suas respectivas tarefas. Eles são úteis para detectar eventos perigosos, como vazamentos, minas terrestres, etc., e a principal vantagem de uma rede distribuída e móvel de sensores é que ela pode detectar uma área ampla e até mesmo agir sobre ela.

As aplicações da robótica por enxame são realmente promissoras, mas ainda há necessidade de seu desenvolvimento tanto na parte algorítmica quanto na de modelagem.