Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

Applicazioni informatiche della Swarm Intelligence

Lo studio che si ha in informatica ha come obiettivo la scoperta di algoritmi sempre più efficienti per riuscire, con componenti semplici, a svolgere compiti complessi, con il minore carico di lavoro possibile. Le applicazioni di tale studio trovano risultati anche nel campo del controllo adattativo di robot. Si vogliono confrontare tramite questo studio le osservazioni più importanti riguardati queste caratteristiche rese note dalla scienza e applicarle ai campi sopra citati per dimostrare l'effettivo valore e affidabilità che si guadagnano andando a utilizzare degli algoritmi che rispecchiano le stesse caratteristiche che si possono notare nel regno animale. La metodologia di interesse usata come caso di studio è quella del recupero di oggetti. Esistono numerose soluzioni a questo problema che possono trovare uso in molte realtà utili all'uomo. Ne verranno presentate e confrontate due all'interno di questo elaborato, studiando le caratteristiche positive e negative di entrambe. Questi due approcci sono chiamati a soglia fissa e a soglia variabile. Entrambe sono tipologie di adattamento che prendono spunto dal comportamento che hanno le colonie di formiche quando si muovono alla ricerca di cibo. Si è deciso di analizzare queste due metodologie partendo da una panoramica generale di come cooperano gli insetti per arrivare al risultato finale, per poi introdurre nello specifico le caratteristiche di entrambe analizzando per ognuna i risultati ottenuti tramite grafici, e confrontandoli tra di loro.

Robotic patrolling: analisi di strategie e applicazione ad uno scenario

Introduzione alle strategie di robotic patrolling e analisi delle stesse. Applicazione ad uno scenario di una strategia e realizzazione di un robot patroller.

Tecniche di fault tolerance in swarm robotics

Questa tesi presenta e discute le sfide per ottenere sistemi di swarm robotis affidabili e tolleranti ai guasti e quindi anche alcuni metodi per rilevare anomalie in essi, in modo tale che ipotetiche procedure per il recupero possano essere affrontate, viene sottolineata inoltre l’ importanza di un’ analisi qualitativa dei guasti.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

Integration of robotic inverse kinematic routines in an algorithmic 3D modeling software

An industrial manipulator equipped with an automatic clay extruder is used to realize a machine that can manufacture additively clay objects. The desired geometries are designed by means of a 3D modeling software and then sliced in a sequence of layers with the same thickness of the extruded clay section. The profiles of each layer are transformed in trajectories for the extruder and therefore for the end-effector of the manipulator. The goal of this thesis is to improve the algorithm for the inverse kinematic resolution and the integration of the routine within the development software that controls the machine (Rhino/Grasshopper). The kinematic model is described by homogeneous transformations, adopting the Denavit-Hartenberg standard convention. The function is implemented in C# and it has been preliminarily tested in Matlab. The outcome of this work is a substantial reduction of the computation time relative to the execution of the algorithm, which is halved.

A ROS-based Workspace Control and Trajectory Planner for a seven degrees of freedom Robotic arm

In this Bachelor Thesis I want to provide readers with tools and scripts for the control of a 7DOF manipulator, backed up by some theory of Robotics and Computer Science, in order to better contextualize the work done. In practice, we will see most common software, and developing environments, used to cope with our task: these include ROS, along with visual simulation by VREP and RVIZ, and an almost "stand-alone" ROS extension called MoveIt!, a very complete programming interface for trajectory planning and obstacle avoidance. As we will better appreciate and understand in the introduction chapter, the capability of detecting collision objects through a camera sensor, and re-plan to the desired end-effector pose, are not enough. In fact, this work is implemented in a more complex system, where recognition of particular objects is needed. Through a package of ROS and customized scripts, a detailed procedure will be provided on how to distinguish a particular object, retrieve its reference frame with respect to a known one, and then allow navigation to that target. Together with technical details, the aim is also to report working scripts and a specific appendix (A) you can refer to, if desiring to put things together.