Rizobot: Collective form finding through swarm robotics
Rızobot: Sürü robotlar aracılığıyla kolektif biçim bulma
- Tez No: 787212
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Sürü sistemleri pek çok alanda olduğu gibi mimarlık alanında da çoğu tasarımcıya ilham kaynağı olmuştur. Araştırmacılar, aşağıdan yukarı bir yaklaşım olan sürü yaklaşımı temelli doğadan esinlenilen birçok model geliştirmişlerdir. Bu modeller simülasyon, optimizasyon ve karmaşık denklemlerin çözümü gibi çeşitli problemlere cevap olarak geliştirilmiştir. Bahsi geçen alanların yanısıra, sürü sistemlerinin bir diğer alt alanı sürü robotiğidir. Sürü robotiğinin de içinde bulunduğu çoklu robot sistemlerini konu alan mevcut çalışmalar incelendiğinde farklı ölçeklerde robotlar ve sistemler ile farklı karmaşıklık seviyesindeki problemlere cevap arandığı gözlenmiştir. Sürü yaklaşımı üzerinde kurgulanan çalışmaların belirme kavramına odaklandığı ve sürülerin ortaya çıkardığı ortak davranışları incelediği tespit edilmiştir. Daha tanımlı görevleri gerçekleştirmek için kurgulanan çalışmalarda ise farklı çoklu robot kontrol mimarileri tercih edildiği görülmüştür. Bu çalışma, birbirlerine eş mobil robotlar kullanarak form bulma çalışmaları gerçekleştirmek adına bir çerçeve sunmaktadır. Sunulan çerçevenin geliştirilme sürecinde, farklı özelliklerin sürünün kabiliyetine olan etkisini gözlemleyebilmek adına 5 deneyden oluşan 3 vaka çalışması yürütülmüştür. Vaka çalışmalarında etmen olarak RIZOBot-Mini ve RIZOBot isimli iki tip robot kullanılmıştır. Bu robotların her ikisi de araştırma kapsamında geliştirilmiş diferansiyel sürüşlü mobil robotlardır. RIZOBot-Mini, RIZOBot'a kıyasla daha küçük boyutta ve daha hızlı bir tekerlekli robot iken, RIZOBot paletli bir robot olup daha büyük bir gövdeden ve daha güçlü motorlardan oluşmaktadır. Robotlar geliştirilirken üç temel faktör göz önünde bulundurulmuştur. İki tip robot da düşük maliyetli, fonksiyonel ve modüler bir yapıya sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Robotların tasarımında donanımsal ya da yazılımsal optimizasyon göz önünde bulundurulmamıştır. Bunların yanısıra bahsi geçen robotlar, sürü sistemleri üzerinde çalışmalar yürütmek için farklı aktüatörler ile donatılıp çalıştırılabilen donanımsal ve yazılımsal bir alt yapıya sahiptir. Üç vaka çalışması etrafında şekillenen araştırmada, farklı tipte etmenleri kontrol etmek adına farklı kontrol mimarileri geliştirilmiştir. Birinci ve ikinci deneyde robotlar, etkileşimlere bağlı anlık algılamalara göre eylemler gerçekleştirmek üzere programlanmıştır. Bu basit etmenlerin kontrolü için sürü mimarisi yapıları geliştirilmiştir. Kalan üç deneyde ise etmenler zamana ve diğer robotların bulunduğu koşullara bağlı olarak karar alacak şekilde programlanmıştır. Bu deneylerde kontrol mimarisi olarak farklı karmaşıklık seviyelerine sahip hibrit kontrol mimarileri geliştirilmiştir. Araştırmanın birinci vaka çalışmasında, sürü robotiğinin deneysel sanat çalışmaları üzerindeki potansiyeli incelenmiştir. Bu kapsamda, damla boyama gerçekleştirecek etmen olarak farklı renklerde mürekkepler ile doldurulmuş tanklara sahip 4 adet RIZOBot-Mini kullanılmıştır. Yarı-merkezi bir sistem ile çalıştırılan robotlar, önceden tanımlanmış bir trigonometrik denklemi kendilerine rota olarak almışlar ve birbirleri ile etkileşerek bu rotayı manipüle etmişlerdir. Kenarları sınırlandırılmış beyaz kanvas üzerinde hareket eden robotlar, deney süresince damla boyama yaparak izlerini beyaz kanvas üzerine bırakmışlardır. Deney sonunda bu izler üzerinden robot-robot etkileşim özelliğinin sürü üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. İkinci vaka çalışmasında bölgeye duyarlı etmenlere sahip bir sürü üzerinden çizme eylemi ile form bulma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Önerilen sistemde etmen olarak farklı renk keçeli kalemler ile donatılmış 4 adet RIZOBot-Mini kullanılmıştır. Robotlar sahip oldukları ışık sensörleri ile bulundukları konumdaki ışık şiddetini algılayıp ölçüm sonuçlarına bağlı olarak farklı hareket davranışları sergilemişlerdir. İki deneyden oluşan çalışmada birinci deneyde robot-çevre etkileşimine odaklanırken, ikinci deney robot-robot iletişim özelliği üzerinden ilerlemiştir. İlk deneyde aydınlık ve karanlık bölgelere sahip bir alanda hareket eden robotlar, bulundukları alana göre iki farklı hareket modeli göstermişlerdir. İkinci deneyde ise sürü, alan içerisindeki en aydınlık noktayı birbirleri ile iletişim kurarak bulmayı hedeflemiştir. Robotlar sürekli olarak bulundukları noktadaki ışığı algılayıp ölçümlerini birbirleriyle karşılaştırır. En yüksek değere sahip robot olduğu yerde ve kendi etrafında salınım yaparken, sürünün geri kalanı daha aydınlık bir nokta aramak için hareketine devam eder. Böylelikle herhangi bir konumlandırma özelliğine sahip olmayan etmenler, kolektif bir şekilde alan içerisindeki en aydınlık noktayı bulurlar. Her iki deneyde de robotlar, sahip oldukları keçeli kalemler ile takip ettikleri rotaları beyaz kanvas üzerine çizmişlerdir. Deneylerin ardından bu izler incelenerek sürünün davranışları gözlemlenmiş ve analiz edilmiştir. Araştırmanın son vaka çalışmasında, dökme eylemi gerçekleştiren 4 mobil robottan oluşan bir sürü kullanılarak dış ortamda form bulma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada robot olarak, her biri toz şeker ile doldurulmuş tanka ve tanka bağlı, açılıp kapanabilen bir nozüle sahip 4 adet RIZOBot kullanılmıştır. Çalışma iki deneyden oluşmaktadır. İlk deneyde robotlar, verilen alanda kum zemine yerleştirilmiş bir adet ışık kaynağını bulmayı ve bu kaynak etrafında toplanmayı hedefler. Işık kaynağını bulan RIZOBot hareketini sonlandırır ve sürünün geri kalanını çağırmak adına verici modülünden kızılötesi sinyaller gönderir. Işık kaynağının başka bir RIZOBot tarafından bulunduğu bilgisini alan robotlar, rölatif konumlandırma özelliklerini kullanarak sinyalleri takip eder ve ışık kaynağına ulaşmayı hedefler. Bu esnada sinyali takip eden robotlar, nozüllerini açarak hareketleri boyunca yere şeker dökerek kumda izlerini bırakırlar. Hedefe varan her robot, ışığı ilk bulan robotu taklit eder ve vericisinden aynı sinyali yayarak sürünün kalanını hedefe çağırır. Robot-robot oryantasyon özelliğine odaklanan deneyde, sürünün tamamı ışık kaynağına ulaşınca deney sonlanır. İkinci deneyde kum zemine bir yerine iki adet ışık kaynağı yerleştirilir ve sürü bu kaynakları arar. Sürüden 2 robot bu ışık kaynaklarını bulduktan sonra ilk deneyde olduğu gibi her 2 robot da vericilerinden kızılötesi sinyaller yayar. Sürünün kalanı, ışık kaynağını bulan 2 robottan birini rastgele seçer ve seçtiği robota ulaşmak için sinyalleri takip eder. Bu 2 robottan birine ulaşan her RIZOBot, hedefini diğer ışık kaynağındaki robot olarak günceller ve nozülünü açıp kum zemine şekere dökerek diğer robotun sinyallerini takip eder. Her kaynağa varışlarında hedeflerini diğer kaynaktaki robot ile değiştiren robotlar, sürekli iki ışık kaynağı arasında hareket edip kum zeminde şeker ile iz bırakırlar. Robotların haznelerindeki şeker bittiğinde deney sonlanır. Robot-robot tanılama özelliği ile iki farklı sinyali ayırt eden sürü, iki ışık kaynağı arasında bıraktığı izler ile kum zemin üzerinde 2.5 boyutlu formlar oluşturur. İki deneyin sonunda da kum zeminde oluşturulan formlar belgelenmiş ve analiz edilmiştir. Bahsi geçen 3 vaka çalışmasından oluşan kavram kanıt araştırmasında, sürü sistemlerinin form bulma çalışmalarındaki kullanılabilirlik potansiyelini belirli özellikler üzerinden incelenmiş ve bu incelemelerin doğrultusunda bir çerçeve önerilmiştir. Ön sonuçlar, önerilen çerçevenin dolaylı yoldan kullanıcı-sürü etkileşimine imkan tanıdığını ve mimari tasarımın erken evrelerinde sadece bir araç değil, bir ortak tasarımcı olma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This study proposes a framework for performing form-finding studies using a swarm of mobile robots. During the development process of the proposed framework, 3 different case studies consisting of 5 experiments were conducted in order to observe the effect of different features on the capability of the swarm system. The term RIZOBot is proposed by the author. Two types of robots named RIZOBot-Mini and RIZOBot were used as agents in the case studies. Both of these robots are low-fidelity differential-drive mobile robots developed as part of this research. RIZOBot-Mini is a wheeled robot which is smaller and faster compared to RIZOBot, while RIZOBot is a tracked robot, consisting of a larger body and more powerful motors. The robots in question have a hardware and software infrastructure that can be equipped and operated with different actuators to conduct various research on swarm systems. In the first case study of the research, the potential of swarm robotics in experimental artwork was examined. In this context, 4 RIZOBot-Minis equipped with different coloured inks to perform drip painting were used as agents. Operating with a semi-central system, the robots took a predefined trigonometric equation as a defined route and manipulated that route by interacting with each other. Robots moving on a bordered white canvas, left their traces on the canvas by drip painting during the experiment. At the end of the experiment, the effect of the robot-robot interaction feature on the swarm was observed through these traces. In the second case study, form studies were carried out by drawing action on a swarm of zone-sensitive mobile robots. In the proposed system, 4 RIZOBot-Minis equipped with different coloured markers were used as agents. The robots sensed the light intensity at their location with the light sensor they have and exhibited different movement behaviors depending on the measurement results. In the study consisting of two experiments, the first experiment focused on the robot-environment feature, while the second experiment proceeded through robot-robot communication. In the first experiment, robots moving in an area with light and dark zones demonstrated two different movement patterns according to the area they were in. In the second experiment, the swarm aims to find the brightest spot in the area by communicating with each other. Robots constantly perform light sensing and compare their measurements with each other. The robot with the highest reading oscillates around itself in the same location, while the rest of the swarm continues to search for a brighter spot. Thus, agents which do not have any localization feature, collectively find the brightest spot in the given area. In both experiments, the robots drew their traces on a white canvas with markers. After the experiments, these traces were examined and the behavior of the swarm of RIZOBot-Minis was observed and analyzed. In the last case study of the research, form-finding studies were carried out in an outdoor environment using a swarm of 4 robots which perform adding/pouring action. In the study, 4 RIZOBots, each of them having a tank full of granulated sugar and anozzle that can be opened and closed, were used as robots. The study consists of two experiments. In the first experiment, the robots aim to find one light source placed on the sand floor in the given area and gather around it. The first RIZOBot that finds the light source terminates its movement, broadcasts infrared signals from its transmitter unit and calls the rest of the swarm. Learning that the light source is found by another robot, the rest of the swarm follow the transmitted signals with their receiver unit by using the localization feature and aim to reach the light source. Meanwhile, the RIZOBots following the signal open their nozzles and pour sugar on the ground during their movements. Each RIZOBot that reaches the light source imitates the first robot that finds the light and amplifies the emitted signal. In the experiment focusing on the robot localization feature, the experiment ends when the entire swarm reaches the light source. In the second study, two light sources are placed on the sand floor and RIZOBots seek these light sources. After the 2 robots from the swarm find these sources, they emit infrared signals as in the first experiment. The rest of the swarm randomly selects one of the two robots that find the light and follows its signals to reach it. RIZOBots, reaching one of the robots that find the light, takes the other robot as a new target, and moves towards it by pouring sugar on the sand. Changing their destination with the other robot as they arrive at each one, RIZOBots constantly move between the two light sources and leave their traces on the ground. The experiment ends when the sugar in the tank of the robots runs out. Robots, which distinguish two different signals with the robot-robot recognition feature, create a 2.5-dimensional form on the sandy ground with the movement traces they leave between two light sources. At the end of the two experiments, the forms created on the sandy ground were documented and analyzed. In the proof-of-concept study, which consists of the aforementioned 3 case studies, the form-finding potential of a swarm of mobile robots is examined through certain features with both swarm and hybrid control architectures, and a framework is proposed in line with these examinations. Preliminary results show that the proposed framework enables indirect user-swarm interaction and has the potential to act as a co-designer rather than just a tool in the early phases of architectural design.