Name: the modular design and production of an intelligent robot based on a closed-loop control strategy
Uploaded: 2017-10-14T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 53 s
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著者は、本稿で報告した実験を行うことの彼の援助の氏 Yaojie 彼に感謝の意を表したいです。この作品は中国の国家自然科学基金 (第 61673117) によって部分的に支えられました。

1 です。 マシンの建設 <ol><li>組み立てシャーシの示すように、適切なファスナーを使用して機械部品を保護します。( 図 1) 
	注: ベースボード、モーター、車輪、等で構成され、シャーシはその動きを担当のロボットの主要コンポーネントです。したがって、アセンブリ中にブラケットをまっすぐに保つ</li>。
	<li>錫ワイヤー リードと正と負の両方の電極。プラス電極とマイナス電極に黒リード赤リードの接続モーターの両端にリード 2 線はんだします</li>。
	<li>は、軸スリーブ、モーターと車輪を組み立てます。
	<ol><li>軸スリーブにモーターを接続し、ネジで固定します</li>。
		<li>車輪ハブのセンターにシャフト スリーブを挿入します</li>。
		<li>シャーシの上に完成した構造をインストールします</li>。
	</ol></li> <li>モジュールを駆動するモーターのインストールを可能にするシャーシの中心部に直径 3 mm の 2 つの穴をドリルします。モジュールを駆動するモーターにモーターを接続します</li>。
	<li>1 つドリル穴の左と右の両方のエッジ、シャーシ下部に赤外線センサーのブラケットのインストールから 1 cm</li>。
	<li>シャーシの 2 つの側面の中央に 2 つのファスナーをインストールします 。
	メモ: 赤外線センサーの正常な動作を確保するために接続部分がシャーシに対して垂直を確認します</li>。
	<li>は、センサーのインストールの 2 つの構造コンポーネントのそれぞれを直径 18 mm の穴をドリルします。( 図 2 a)</li>
	<li>はシャーシの下側にモーター ドライブをインストールします。( 図 2 b)シャーシのそれぞれ、それぞれの 4 つの方向を指す 1 つの赤外線センサーをインストールします。( 図 2)</li>
	<li>対称性のステアリング ・ ギヤをインストールします。ステアリング ・ ギヤの操作によって生成された大きなトルクのため、ボルトがしっかりと遮水ジョイントを備え付ける方法でインストールされていることを確認します</li>。
	<li>マシンの中心に 4 つの赤外線センサーをインストールします</li>。
	<li>場所、14.8 V マシンの中央に電源し、バッテリ パックにマイコン ユニット (MCU) を貼る</li>。
	<li>は、マシンの上部に 4 つのレンジ センサーを貼付します。作業テーブルに対する検出精度を保証する 60 ° に、各センサーと地面の間の角度を調整します</li>。
	<li>マシンが作業領域の目標を達成に失敗したときの場合を検出するために使用 2 軸チルト センサーをインストールします</li>。
	<li>では、ドライバーを使用して、マシンの前面にロボット アームを取り付けます。( 図 3)</li>
</ol> 2。ステアリングのエンジンとドライバー モジュールをデバッグ <ol><li>デバッグ ソフトウェア (例えば、ロボットのサーボ Terminal2010) を開くをダブルクリックします。コンピューター デバッグ ボードで、ユニバーサル シリアル バス (USB) ケーブルを変換に接続します。( 図 4)</li>
	<li>ステアリング エンジンを設定 &#39; s ボーレートを 9600 ビット/秒、521 rad/分の速度制限、作業インタ フェースで 9.6 V に 300 ° と電圧制限を角度制限します</li>。
	<li>ロボット ステアリング ギアの動作モードを設定 &#34; ステアリング エンジン モード &#34;</li>。
	<li>には、コント ローラーとステアリング エンジン間の接続として非同期の半二重通信が適用されます。このように、コント ローラーは単一の普遍的な非同期レシーバー/トランスミッタ (UART) インターフェイスから 255 以上のステアリング エンジンを制御できます。( 図 5) 
	注意: 可能性があります、ほとんどのステアリング エンジン単一のワイヤに接続されている 6。あまりにも多くのステアリング エンジンは過熱し、大規模な電圧降下、リセットと異常のデータ通信などの異常な動作の結果につながる ( 図 6)</li> <li>非同期半二重を適用コント ローラーとモータ駆動モジュール間の接続と通信します。( 図 7)</li>
	<li>は、2 つの駆動モジュールと 4 つのステアリング エンジンの ID 番号を設定します。ID3 と ID4 は、将来の更新目的の空白に残っています。( 図 8) 
	注: ID1: 左運転モジュールID2: 右駆動モジュールID5: 左フロント ステアリング エンジン;ID6: 右フロント ステアリング エンジン;ID7: 左リアのステアリング エンジン;ID8: 右後部ステアリング エンジン</li>。
	<li>ステアリング エンジン 1 つずつをカスケードし、カスケードをコント ローラーに接続します</li>。
	<li>は、センサーをそれぞれコント ローラーのインターフェイスに接続します。そのコネクタを冠する三角マーク センサーはグランド (GND) であることに注意してください 。
	注: AD1: 底面; フロント赤外線光電センサーAD2: 右裏面; 赤外線光電センサー裏面; AD3: 背面の赤外線ビーム センサー裏面; AD4: 左赤外線センサーAD5: フロント赤外線距離測定センサー;AD6: 右赤外線距離測定センサーAD7: 背面の赤外線センサーを測定AD8: 左赤外線距離測定センサー;AD9: 左前方落下防止赤外線光電センサー;AD10: 右前方落下防止赤外線光電センサー;AD11: 右背面落下防止赤外線光電センサー;AD12: 左背面落下防止赤外線光電センサー</li>。
</ol> 3。センサーをデバッグ センサーの検出範囲を調整する赤外線センサーの尻尾の <ol><li>回転調整ノブ。ロボットは、作業テーブルの中心に位置し、上の 4 つの赤外線センサーの論理レベルは 1 です。マシンは、作業テーブルの端に移動したとき、対応する側の赤外線センサーの論理レベルは 0 になります。( 図 9 a) 
	メモ: 赤外線センサーのロジック レベルを分析することによって作業テーブルの位置は、ロボットが判断できます。たとえば、左とフロント センサーのロジック レベルが 0 の場合、ロボットが作業テーブルの左上の領域にある必要があります</li>。
	<li>は、校正用の基準値を距離センサーの測定値を比較します。( 図 9 b) 
	注: 距離センサーはアナログ センサーです。距離の変化、センサー、&#39; s 信号強度フィードバックおよび対応する測定値も異なります。ロボットは、その周辺の変化を識別できるように、測定値をデジタル センサーを介してホスト マシンに中継されます</li>。
	<li>は、傾斜角センサーをデバッグします。
	<ol><li>傾斜角センサーを水平に配置し、その測定値を記録します</li>。
		<li>傾斜の 2 つの方向に向けてセンサーと測定値を記録します。測定値の誤差範囲内にある場合、センサーは通常の操作であるとみなすことができる</li>。
	</ol></li></ol> 4。スキームを制御 <ol><li>構築 DC モータ電圧バランス方程式、フラックス リンケージ方程式とトルク バランス方程式に基づく DC モータのシミュレーション モデル。
	<ol><li>を確立する電圧バランス方程式によって与えられる <img alt="Equation 1"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq1.jpg"/> u q は直交軸電圧 u d が直接軸電圧は。R d と R q は、それぞれ直接軸抵抗、直交軸抵抗を示すため。<img alt="Equation 2"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq2.jpg"/>、<img alt="Equation 3"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq3.jpg"/>、<img alt="Equation 4"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq4.jpg"/>、<img alt="Equation 5"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq5.jpg"/>、直接軸電流を表す軸電流を直接、直接磁束軸と直交軸フラックス。</li>
		<li>を確立するフラックスによって与えられたリンケージ式 < img、lt ="方程式 6" src="/files/ftp_upload/56422/56422eq6.jpg"/> 、<img alt="Equation 7"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq7.jpg"/> と <img alt="Equation 8"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq8.jpg"/> 係数を示す自己インダクタンス軸と直交軸自己インダクタンスをそれぞれ直接します。<img alt="Equation 9"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq9.jpg"/> と <img alt="Equation 10"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq10.jpg"/> は相互インダクタンスの係数。<img alt="Equation 11"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq11.jpg"/>、<img alt="Equation 12"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq12.jpg"/> 電磁トルクと負荷トルクを表します</li>。
		<li>を確立するトルク バランス方程式によって計算 <img alt="Equation 13"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq13.jpg"/>.</li>
		DC モータの <li>ビルド シミュレーション モデル。( 図 10)</li>
	</ol></li> <li>DC モーターのダブルの閉ループ制御を適用します。モーターを調節する電流レギュレータへの入力として速度レギュレータの出力を活用 &#39; s トルクと電流します 。
	注: 現在の規制システムの構造の図。( 図 11) 
	PI 電流レギュレータの伝達関数として示されている <img alt="Equation 14"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq14.jpg"/>、<img alt="Equation 15"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq15.jpg"/> の比例係数電流レギュレータ、<img alt="Equation 16"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq16.jpg"/> 電流レギュレータのリード時間定数です。スケール係数で取得することができます <img alt="Equation 17"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq17.jpg"/>、および積分係数 <img alt="Equation 18"src="/files/ftp_upload/56422/56422eq18.jpg"/>。
	<ol><li>DC モータの適用二重閉ループ制御。( 図 12)</li>
	</ol></li> <li>DC モータの 4 象限運動制御を適用します。( 図 13)
	<ol><li>H ブリッジ運転利用回路、オン-オフ金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ (MOSFET) の変調による DC モータの 4 象限動作を達成するために。( 図 14) 
		注: 第 1 四半期および第 4 四半期の電源がオンになっているし、前方の電気状態にモーターや実行状態の第一象限。第 3 四半期および第 4 四半期のオンのときモーターはブレーキの状態、実行状態第 2 象限エネルギーです。Q2 と Q3 のオンのときモーター、逆の電気状態と第 3 象限動作状態です。モータは逆のエネルギー制動状態と第 4 象限動作状態で Q1 と Q2 をオンにした場合</li>。
	</ol></li> <li>パルス幅変調 (PWM) DC モータの速度を調節するを適用します。DC 電圧パルス幅 (デューティ サイクル) DC モーター電源の電圧供給本質的に変わらずに残るとき、オン-オフ電気のスイッチの制御によってモータの電機子に適用される平均値と回転速度入力を変調を調節します。モーターの電機子電圧</li>。
</ol> 5。プログラムを書く <ol><li>USB ダウンロード行を使用して、コント ローラーに KEIL5 によって生成されたバイナリ (BIN) ファイルをインポートします</li>。
	<li>を実行するプログラムを選択します</li>。
</ol> 6。アプリケーション シナリオ <ol><li>工場で貨物を分類する適用色認識。( 図 15)
	<ol><li>光学カメラを使用して画像を収集し、バウンスの二次元配列の数を使用してスキャンした色を確認します</li>。
		<li>機械の腕を持つオブジェクトを持ち上げています</li>。
		<li>カメラ ロボットのモーターを運転して指定された場所へのオブジェクトを転送するためのコマンドを発行します</li>。
	</ol></li> <li>指定された領域をクリアするすぐに検索。( 図 16)
	<ol><li>ロボットの周辺障害物の位置を検知する 4 つの光センサーを使用します</li>。
		<li>機械式ショベルを持ち上げ、指定地域内の障害物をクリアするステアリングのエンジンをコマンドします</li>。
		<li>最も効果的な検索パスを決定するための遺伝的アルゴリズムの使用</li>
	</ol></li> <li>マシン作業領域からの労働者を分離し、労働者の安全を確保するワークベンチからの落下を防ぐために自己認識を使用します。
	<ol><li>ワークベンチと地面を認識 4 上部光学センサー、高度差に基づいて信号を変更します</li>。
		<li>ワークベンチのエッジの場所を特定する変更可能な信号を解析します</li>。
		<li>ワークベンチのエッジを避けるためにマシンをコマンドします</li>。
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
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著者が明らかに何もありません。

本稿では、自律的に構築することができますインテリジェント ロボットの型を設計されています。ハードウェアといくつかのソフトウェア プログラムの統合によって提案されたインテリジェントな検索アルゴリズムと自律的に認識を実施しました。プロトコルでは、ハードウェアを構成するための基本的なアプローチを導入し、自分のロボットの適切な機械的構造を設計デバッグ知能ロボ?...

ロボットは、力学、電子、制御、コンピューター、センサー、人工知能1,2を含むいくつかの分野の知識を組み合わせる複雑なインテリジェントなマシンです。ますます、ロボットが支援または反復的なまたは危険なタスクを実行するロボットを持っている利点のための工業生産を中心に、職場の人間をも交換します。現在の研究では知能ロボット プロトコルの設計は、閉ループ制御戦略、遺伝的アルゴリズムに基づくパス具体的に基づいています。さらに、機能モジュールは、厳密に分けられた3,4ロボットがアップグレードの強力な能力を持つよう今後の最適化の仕事のための強固な基盤を提供することがありますされています。
ロボットプラット フォームのモジュールの実装は、次の方法主にに基づいて: モータ制御モジュール5,6と遺伝的アルゴリズムに基づくインテリジェントな探査における多次元組み合わせ制御戦略最適化アルゴリズム モジュールで。
モータ制御モジュールの DC モーター、4 象限駆動の二重の閉ループ制御を使用します。二重閉ループ速度制御は、速度レギュレータの出力が電流とモーターのトルクを制御することができます現在のレギュレータの入力として使用されることを意味します。このシステムの利点は、モータのトルク制御できますリアルタイムで指定された速度と実際の速度の違いに基づきます。ときに与えられたと実際の違い速度が比較的大きい、モーターのトルクの増加、急速なのためになる速度変更、可能な限り迅速に指定した値に対するモータ速度を駆動するより高速な速度規制7,8,9します逆に、速度が特定の値に近づくと比較的、それ減らすことができます自動的に特定の値を比較的すぐにはエラー6,を達成するために速度をできるように、スピードの出し過ぎを避けるためにモーターのトルク。10. 相当の時間以来電気の電流ループの定数は比較的小さく、4 象限モーター11,12より迅速に対応できるシステムがときの干渉の影響を抑える外部からの干渉。これは、安定性とシステムの妨害能力を向上させることができます。
MATLAB のシミュレーションの結果に基づいて最高の効率と遺伝的インテリジェントな最適化アルゴリズムを選択します。遺伝的アルゴリズムは、自然淘汰の遺伝学の理論に基づく確率的並列検索アルゴリズムです。それは、初期情報のない状態でグローバルな最適なソリューションを検索するための効率的な方法を構成します。それは連続した選択、交叉、突然変異と他の遺伝的操作によるソリューションの品質が向上、人口として問題のソリューション セットを考えています。知能ロボットによる計画パスに関しての難易度は初期情報の不足、複雑な環境および非線形性の結果として起こる。遺伝的アルゴリズムより良いパス計画大域的最適化機能、強力な適応性と非線形の問題を解決するための堅牢性を有していることからの問題を解決することができます。問題に特定の制限がないです。計算プロセスは簡単です。検索スペース13,14の特別な要件はありません。

<table><tbody><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>L1-1</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>L2-1</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>L3-1</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>L4-1</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>L5-1</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>L5-2</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3A</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3B</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3C</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3F</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3G</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3H</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>U3J</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>I3</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>I5</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>I7</td><td></td></tr><tr><td>structural parts</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>CGJ</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LM1</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LM2</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LM3</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LM4</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LX1</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LX2</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LX3</td><td></td></tr><tr><td>link component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>LX4</td><td></td></tr><tr><td>Steering gear structure component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>KD</td><td></td></tr><tr><td>Steering gear structure component</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>DP</td><td></td></tr><tr><td>Infrared sensor</td><td>UPTECMONYH HAR</td><td>E18-B0</td><td>Digital sensor</td></tr><tr><td>Infrared&amp;nbsp;Range&amp;nbsp;Finder</td><td>SHARP</td><td>GP2D12</td><td></td></tr><tr><td>Gray level sensor</td><td>SHARP</td><td>GP2Y0A02YK0F</td><td></td></tr><tr><td>proMOTION&amp;nbsp;CDS</td><td>SHARP</td><td>CDS&amp;nbsp;5516</td><td>The robot steering gear</td></tr><tr><td>motor drive module</td><td>Risym</td><td>HG7881</td><td></td></tr><tr><td>solder wire</td><td>ELECALL</td><td>63A</td><td></td></tr><tr><td>terminal</td><td>Bright wire</td><td>5264</td><td></td></tr><tr><td>motor</td><td>BX motor</td><td>60JX</td><td></td></tr><tr><td>camera</td><td>Logitech</td><td>C270</td><td></td></tr><tr><td>Drilling machine</td><td>XIN XIANG</td><td>16MM</td><td>Please be careful</td></tr><tr><td>Soldering station</td><td>YIHUA</td><td>8786D</td><td>Be&amp;nbsp;careful&amp;nbsp;to&amp;nbsp;be&amp;nbsp;burn</td></tr><tr><td>screwdriver</td><td>EXPLOIT</td><td>043003</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td>R`DEER</td><td>RST-12</td><td></td></tr></tbody></table>

the modular design and production of an intelligent robot based on a closed-loop control strategy

知能ロボットは、周囲の環境を感知し、自分の行動を計画、最終的に彼らの目標を達することができるロボットの新世代の一部です。近年では、日々 の生活や産業とロボットに依存が増加しています。本稿で提案するプロトコルでは、デザインとインテリジェントな検索アルゴリズムと自律的同定機能のハンドリング ロボットの生産をについて説明します。
まず、作業のさまざまなモジュールは、作業プラットフォームの構築と、ロボット ・ マニピュレーターのインストールを完了するため機械的にまとめます。その後、我々 閉ループ制御システムおよびソフトウェアのデバッグの助けを借りて、4 象限モータ制御戦略の設計し同様、ステアリング ・ ギア id (ID)、ボー レートと目的動をロボットになることを確認する他の作業パラメーターを設定パフォーマンスと低消費電力。次に、我々 は、環境情報を正確に取得するマルチ センサー融合を達成するためにセンサーをデバッグします。最後に、特定のアプリケーションのためのロボットの機能の成功を認識することができます関連するアルゴリズムを実装します。
このアプローチの利点は、その信頼性と柔軟性、ユーザーことができますさまざまなハードウェア構築プログラムの開発し、インテリジェント制御戦略を実装するための包括的なデバッガーを利用します。高効率、堅牢性とニーズに基づいてパーソナライズされた要件を設定することができます。

ダブルの閉ループ運動制御プログラムの図で紫が所定の速度信号を表し、黄色は、制御システムの出力の値を表します。図 17は、二重の閉ループ制御システムはオープン ・ ループ システムよりかなり効果的を明確に示します。ダブルの閉ループ システムの出力の実際のオーバー シュートは比較的小さいとシステムの動的性能が優れています?...

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The Modular Design and Production of an Intelligent Robot Based on a Closed-Loop Control Strategy

モジュラー設計のプロトコルを提案する、科学的、技術的な労働者の特別な生産タスクと知能ロボットの設計を支援する知能ロボットの生産の個人的なニーズに基づいて、個別のデザイン。

モジュラー設計と閉ループ制御戦略に基づく知能ロボットの生産

Intelligent robots are part of a new generation of robots that are able to sense the surrounding environment, plan their own actions and eventually reach ...

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ビデオ: The Modular Design and Production of an Intelligent Robot Based on a Closed-Loop Control Strategy

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

ブレインマシンインタフェースの閉ループ性能を研究する実験プラットフォーム

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

神経科学

Designing and Implementing Nervous System Simulations on LEGO Robots

We present a method to use the commercially available LEGO Mindstorms NXT robotics platform to test systems level neuroscience hypotheses. The first step of the method is to develop a nervous system simulation of specific reflexive behaviors of an appropriate model organism; here we use the American Lobster. Exteroceptive reflexes mediated by decussating (crossing) neural connections can explain an animal's taxis towards or away from a stimulus as described by Braitenberg and are particularly well suited for investigation using the NXT platform.1 The nervous system simulation is programmed using LabVIEW software on the LEGO Mindstorms platform. Once the nervous system is tuned properly, behavioral experiments are run on the robot and on the animal under identical environmental conditions. By controlling the sensory milieu experienced by the specimens, differences in behavioral outputs can be observed. These differences may point to specific deficiencies in the nervous system model and serve to inform the iteration of the model for the particular behavior under study. This method allows for the experimental manipulation of electronic nervous systems and serves as a way to explore neuroscience hypotheses specifically regarding the neurophysiological basis of simple innate reflexive behaviors. The LEGO Mindstorms NXT kit provides an affordable and efficient platform on which to test preliminary biomimetic robot control schemes. The approach is also well suited for the high school classroom to serve as the foundation for a hands-on inquiry-based biorobotics curriculum.

An approach to neural network modeling on the LEGO Mindstorms robotics platform is presented. The method provides a simulation tool for invertebrate neuroscience research in both the research lab and the classroom. This technique enables the investigation of biomimetic robot control principles.

LEGOロボットの神経系シミュレーションの設計と実装

We present a method to use the commercially available LEGO Mindstorms NXT robotics platform to test systems level neuroscience hypotheses. The first step ...

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in unstructured environments. At the same time, new procedures and techniques have been developed to reduce the invasiveness of surgical operations. Minimally Invasive Surgery (MIS) has been successfully employed for abdominal interventions, however standard MIS procedures are mainly based on rigid or semi-rigid tools that limit the dexterity of the clinician. This paper presents a soft and high dexterous manipulator for MIS. The manipulator was inspired by the biological capabilities of the octopus arm, and is designed with a modular approach. Each module presents the same functional characteristics, thus achieving high dexterity and versatility when more modules are integrated. The paper details the design, fabrication process and the materials necessary for the development of a single unit, which is fabricated by casting silicone inside specific molds. The result consists in an elastomeric cylinder including three flexible pneumatic actuators that enable elongation and omni-directional bending of the unit. An external braided sheath improves the motion of the module. In the center of each module a granular jamming-based mechanism varies the stiffness of the structure during the tasks. Tests demonstrate that the module is able to bend up to 120&#176; and to elongate up to 66% of the initial length. The module generates a maximum force of 47 N, and its stiffness can increase up to 36%.

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

生物工学

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, irrigation, and mechanical weed control. Extending this research, we introduce here a novel methodology to manipulate the directional growth of plants via their natural mechanisms for signaling and hormone distribution. An effective methodology of robotic stimuli provision can open up possibilities for new experimentation with later developmental phases in plants, or for new biotechnology applications such as shaping plants for green walls. Interaction with plants presents several robotic challenges, including short-range sensing of small and variable plant organs, and the controlled actuation of plant responses that are impacted by the environment in addition to the provided stimuli. In order to steer plant growth, we develop a group of immobile robots with sensors to detect the proximity of growing tips, and with diodes to provide light stimuli that actuate phototropism. The robots are tested with the climbing common bean, Phaseolus vulgaris, in experiments having durations up to five weeks in a controlled environment. With robots sequentially emitting blue light-peak emission at wavelength 465 nm-plant growth is successfully steered through successive binary decisions along mechanical supports to reach target positions. Growth patterns are tested in a setup up to 180 cm in height, with plant stems grown up to roughly 250 cm in cumulative length over a period of approximately seven weeks. The robots coordinate themselves and operate fully autonomously. They detect approaching plant tips by infrared proximity sensors and communicate via radio to switch between blue light stimuli and dormant status, as required. Overall, the obtained results support the effectiveness of combining robot and plant experiment methodologies, for the study of potentially complex interactions between natural and engineered autonomous systems.

Distributed robot nodes provide sequences of blue light stimuli to steer the growth trajectories of climbing plants. By activating natural phototropism, the robots guide the plants through binary left-right decisions, growing them into predefined patterns that by contrast are not possible when the robots are dormant.

誘導植物成長のためのロボットセンシングと刺激供給

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...

工学

Operation of the Collaborative Composite Manufacturing (CCM) System

The automated tape placement and the automated fiber placement (AFP) machines provide a safer working environment and reduce the labor intensity of workers than the traditional manual fiber placement does. Thus, the production accuracy, repeatability and efficiency of composite manufacturing are significantly improved. However, the current AFP systems can only produce the composite components with large open surface or simple revolution parts, which cannot meet the growing interest in small complex or closed structures from industry.
In this research, by employing a 1-degree of freedom (DoF) rotational stage, a 6-RSS parallel robot, and a 6-DoF serial robot, the dexterity of the AFP system can be significantly improved for manufacturing complex composite parts. The rotational stage mounted on the parallel robot is utilized to hold the mandrel and the serial robot carries the placement head to mimic two human hands that have enough dexterity to lay the fiber to the mandrel with complex contour.
Although the CCM system increases the flexibility of composite manufacturing, it is quite time-consuming or even impossible to generate the feasible off-line path, which ensures uniform lay-up of subsequent fibers considering the constraints like singularities, collisions between the fiber placement head and mandrel, smooth fiber direction change and keeping the fiber placement head along the norm of the part&#39;s surface, etc. Moreover, due to the existing positioning error of the robots, the on-line path correction is needed. Therefore, the on-line pose correction algorithm is proposed to correct the paths of both parallel and serial robots, and to keep the relative path between the two robots unchanged through the visual feedback when the constraint or singularity problems in the off-line path planning occur. The experimental results demonstrate the designed CCM system can fulfill the movement needed for manufacturing a composite structure with Y-shape.

Operation of the Collaborative Composite Manufacturing CCM System

A collaborative composite manufacturing system is developed for robotic lay-up of composite laminates using the prepreg tape. The proposed system allows the production of composite laminates with high levels of geometrical complexity. The issues in the path planning, coordination of the robots and control are addressed in the proposed method.

協調複合製造(CCM)システムの運用

The automated tape placement and the automated fiber placement (AFP) machines provide a safer working environment and reduce the labor intensity of ...

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with slopes of up to 84&#176;. The manufacturing method is valid for the fast pneunet bending actuators in general and might, therefore, be interesting for newcomers to the field of actuator manufacturing. The control of the robot is achieved by means of a pneumatic control box that can provide arbitrary pressures and can be built by only using purchased components, a laser cutter, and a soldering iron. For the walking performance of the robot, the pressure-angle calibration plays a crucial role. Therefore, a semi-automated method for the pressure-angle calibration is presented. At high inclines (&#62; 70&#176;), the robot can no longer reliably fix itself to the walking plane. Therefore, the gait pattern is modified to ensure that the feet can be fixed on the walking plane.

This protocol provides a detailed list of steps to be performed for the manufacturing, control and evaluation of the climbing performance of a gecko-inspired soft robot.

ヤモリにインスパイアされたソフトロボットの製造・制御・性能評価

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...

Robotic Mirror Therapy System for Functional Recovery of Hemiplegic Arms

Mirror therapy has been performed as effective occupational therapy in a clinical setting for functional recovery of a hemiplegic arm after stroke. It is conducted by eliciting an illusion through use of a mirror as if the hemiplegic arm is moving in real-time while moving the healthy arm. It can facilitate brain neuroplasticity through activation of the sensorimotor cortex. However, conventional mirror therapy has a critical limitation in that the hemiplegic arm is not actually moving. Thus, we developed a real-time 2-axis mirror robot system as a simple add-on module for conventional mirror therapy using a closed feedback mechanism, which enables real-time movement of the hemiplegic arm. We used 3 Attitude and Heading Reference System sensors, 2 brushless DC motors for elbow and wrist joints, and exoskeletal frames. In a feasibility study on 6 healthy subjects, robotic mirror therapy was safe and feasible. We further selected tasks useful for activities of daily living training through feedback from rehabilitation doctors. A chronic stroke patient showed improvement in the Fugl-Meyer assessment scale and elbow flexor spasticity after a 2-week application of the mirror robot system. Robotic mirror therapy may enhance proprioceptive input to the sensory cortex, which is considered to be important in neuroplasticity and functional recovery of hemiplegic arms. The mirror robot system presented herein can be easily developed and utilized effectively to advance occupational therapy.

We developed a real-time mirror robot system for functional recovery of hemiplegic arms using automatic control technology, conducted a clinical study on healthy subjects, and determined tasks through feedback from rehabilitation doctors. This simple mirror robot can be applied effectively to occupational therapy in stroke patients with a hemiplegic arm.

片麻痺腕の機能回復のためのロボットミラーセラピーシステム

Mirror therapy has been performed as effective occupational therapy in a clinical setting for functional recovery of a hemiplegic arm after stroke. It is ...

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also research. Interactive and visualizing features, including theory-guided algorithm implementation, web-based algorithm design, customizable monitoring interface, and three-dimensional (3-D) virtual test rigs are discussed. To illustrate the features and functionalities of the proposed laboratories, three examples, including the first-order system exploration using a circuit-based system with electrical elements, web-based control algorithm design for virtual and remote experimentation, are provided. Using user-designed control algorithms, not only can simulations be conducted, but real-time experiments can also be conducted once the designed control algorithms have been compiled into executable control algorithms. The proposed online laboratory also provides a customizable monitoring interface, with which users can customize their user interface using provided widgets such as the textbox, chart, 3-D, and camera widget. Teachers can use the system for online demonstration in the classroom, students for after-class experimentation, and researchers to verify control strategies.

This work describes an online experimentation system that provides visualized experiments, including the visualization of theories, concepts, and formulas, visualizing the experimental process with three-dimensional (3-D) virtual test rigs, and visualizing the control and monitoring system using widgets such as charts and cameras.

工学教育・研究のためのインタラクティブで可視化されたオンライン実験システム

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also ...

Closed-loop Neuro-robotic Experiments to Test Computational Properties of Neuronal Networks

Information coding in the Central Nervous System (CNS) remains unexplored. There is mounting evidence that, even at a very low level, the representation of a given stimulus might be dependent on context and history. If this is actually the case, bi-directional interactions between the brain (or if need be a reduced model of it) and sensory-motor system can shed a light on how encoding and decoding of information is performed. Here an experimental system is introduced and described in which the activity of a neuronal element (i.e., a network of neurons extracted from embryonic mammalian hippocampi) is given context and used to control the movement of an artificial agent, while environmental information is fed back to the culture as a sequence of electrical stimuli. This architecture allows a quick selection of diverse encoding, decoding, and learning algorithms to test different hypotheses on the computational properties of neuronal networks.

In this paper, an experimental framework to perform closed-loop experiments is presented, in which information processing (i.e., coding and decoding) and learning of neuronal assemblies are studied during the continuous interaction with a robotic body.

閉ループ神経のロボット実験は、神経回路網の計算特性を試験すること

Information coding in the Central Nervous System (CNS) remains unexplored. There is mounting evidence that, even at a very low level, the representation ...

Insect-controlled Robot: A Mobile Robot Platform to Evaluate the Odor-tracking Capability of an Insect

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor sources is an essential task for organism survival. Insects are well-studied organisms with regard to odor tracking, and their behavioral strategies have been applied to mobile robots for evaluation. This "bottom-up" approach is a fundamental way to develop biomimetic robots; however, the biological analyses and the modeling of behavioral mechanisms are still ongoing. Therefore, it is still unknown how such a biological system actually works as the controller of a robotic platform. To answer this question, we have developed an insect-controlled robot in which a male adult silkmoth (Bombyx mori) drives a robot car in response to odor stimuli; this can be regarded as a prototype of a future insect-mimetic robot. In the cockpit of the robot, a tethered silkmoth walked on an air-supported ball and an optical sensor measured the ball rotations. These rotations were translated into the movement of the two-wheeled robot. The advantage of this "hybrid" approach is that experimenters can manipulate any parameter of the robot, which enables the evaluation of the odor-tracking capability of insects and provides useful suggestions for robotic odor-tracking. Furthermore, these manipulations are non-invasive ways to alter the sensory-motor relationship of a pilot insect and will be a useful technique for understanding adaptive behaviors.

The capability to localize an odor source is necessary for insect survival and is expected to be applicable to artificial odor-tracking. The insect-controlled robot is driven by an actual silkmoth and enables us to evaluate the odor-tracking capability of insects through a robotic platform.

昆虫制御のロボット：移動ロボットプラットフォーム昆虫の匂い追跡能力を評価します

Robotic odor source localization has been a challenging area and one to which biological knowledge has been expected to contribute, as finding odor ...