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小立方体可以推动自己前进,跳跃,拼成任意形状

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2011年,当一位名叫John Romanishin的麻省理工学院高级管理人员向他的机器人教授Daniela Rus提出了一个模块化机器人的新设计时,她说:“那是做不到的。”两年后,Rus显示了她的同事Hod Lipson ,康奈尔大学的机器人研究员,基于Romanishin设计的原型机器人视频。 “这不可能做到,”利普森说。

11月,Romanishin--现在是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL) - Rus的研究科学家,博士后Kyle Gilpin将一劳永逸地建立可以完成的任务,当他们提交一份描述他们新机器人的论文时在IEEE / RSJ智能机器人和系统国际会议上。

被称为M块,机器人是没有外部移动部件的立方体。尽管如此,他们还是能够相互攀登,跳跃,空中跳跃,横跨地面,甚至从金属表面悬挂倒下。

每个M-Block内有一个飞轮,可以达到每分钟20000转的速度;当飞轮被制动时,它将角动量赋予立方体。在M-Block的每个边缘上,每个面上都巧妙地排列着永久磁铁,可以让任何两个立方体相互连接。 “电气工程与计算机科学教授兼CSAIL主管Rus说:”这是模块化机器人社区长久以来一直试图做的事情之一。

体现的抽象

正如Rus解释的,研究可重构机器人的研究人员长久以来一直使用一种称为滑动立方体的抽象概念模型。在这个模型中,如果两个立方体面对面,其中一个立方体可以向上滑动另一个立方体,而不改变方向,滑过其顶部。

滑动立方体模型简化了自组装算法的开发,但是实现它们的机器人往往是更复杂的设备。例如,Rus集团之前开发了一种称为分子的模块化机器人,该机器人由两个连接有角度棒的立方体组成,并具有18个独立的电机。罗斯说:“当时我们对此感到非常自豪。根据Gilpin的说法,现有的模块化机器人系统也是“静态稳定的”,这意味着“你可以在任何时候暂停运动,而且他们会留在原地”。麻省理工学院的研究人员大大简化了他们的机器人“设计放弃了静态稳定的原则。

“有一个时间点,立方体基本上是在空中飞行,”吉尔平说。 “而且你依靠磁铁来使它在落地时对齐。这对于这个系统来说是完全独一无二的。“

这也是罗斯廷最初提议中罗斯对此持怀疑态度的原因。 “我问他建立一个原型,”罗斯说。 “然后我说,'好的,也许我错了'。”

坚持着陆

为了补偿静态不稳定性,研究人员的机器人依靠一些巧妙的工程。在立方体的每个边缘上都是两个圆柱形磁体,像滚针一样安装。当两个立方体相互接近时,磁体自然地旋转,使得北极与南方对齐,反之亦然。任何立方体的任何面都可以附着在任何其他面上。

立方体的边缘也是斜的,所以当两个立方体面对面时,它们的磁体之间有一个微小的间隙。当一个立方体开始在另一个立方体上翻转时,斜面以及磁体碰触。立方体之间的连接变得更加牢固,固定枢轴。立方体的每个面上有四对更小的磁体,它们对称排列,这有助于在移动的立方体落在另一立方体的上方时将其锁定。

与任何模块化机器人系统一样,希望模块能够小型化:大多数此类研究的最终目标是可以自组装的成群的微小微阵列,如电影“终结者”中的“钢液”机器人II“。立方体设计的简单性使小型化成为可能。

但研究人员认为,他们的系统更精致的版本可以 即使在目前的规模上也是有用的。移动立方体的军队可以在紧急情况下临时修理桥梁或建筑物,或者为建筑工程提高和重新配置脚手架。他们可以根据需要组装成不同类型的家具或重型设备。他们可能涌入对人类有敌意或无法到达的环境,诊断问题,并重新组织自己提供解决方案。

多样性的力量

研究人员还设想,在移动立方体可能是专用立方体,包含移动立方体可以运输的相机,灯光,电池组或其他设备。 Gilpin说:“在绝大多数其他模块化系统中,单个模块不能自行移动。康奈尔大学的利普森说:“如果你在这个过程中放弃了其中的一个,或者出了什么问题,它可以重新加入这个团体,没有任何问题。”

“这是你不想考虑的事情之一。利普森补充道:“对于人们一直试图用极其高科技的方法解决的问题,这是一个低技术解决方案。”

“他们所做的非常有趣,他们展示了几种运动模式。 “不只是一个立方体翻转,而是多个立方体一起工作,多个立方体移动其他立方体 - 许多其他运动模式,真正打开许多应用程序的大门,远远超出人们通常在谈论自我更新时的想法,部件。他们很少考虑拖动其他部分的部件 - 这种合作组的行为。“

在正在进行的工作中,麻省理工学院的研究人员正在建立一个100立方的军队,每个立方可以朝任何方向移动,并设计算法来指导他们。 Romanishin说:“我们需要数百个立方体随机散落在地板上,以便能够相互识别,合并,自动转换成椅子,梯子或书桌。



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