Fault-tolerance for Metamorphic Robots

Mgr. Jan Mrázek

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Metamorfní seberekonfigurovatelní roboti jsou jednou z blízkých výzev robotiky. Toto odvětví se zabývá návrhem a vývojem autonomního robotického kitu, který umožňuje stavbu sofistikovaných robotů z jednotlivých malých, jednoduchých a standardizovaných jednotek (modulů). Tento přístup ke stavbě robotů by měl vést k univerzálitě, jednoduchému prototypování, sebe opravě a vysokému stupní odolnosti vůči chybám. Toto odvětví však ještě nepokročilo natolik, abychom byli na tyto vlastnosti schopni dosáhnout. Ve svém výzkumu se zaměřuji na návrhové techniky kontrolérů těchto robotů odolných vůči chybám. Mým cílem je, aby robot slotžený z modulů byl schopen pokračovat v práci i poté, co některé moduly začnou poskytovat špatná data (např. z důvodu vadného senzoru). Současné poznání plánuji rozšířit o návrhové techniky, které jsou univerzálně aplikovatelné - t.j., jsou aplikovatelné na široké spektrum konfigurací. Ve svém výzkumu také řeším otázku reprodukovatelnosti nalezených řešení. Proto vedlejší výstupem mé práce je open-hardware a open-software robotická stavebníce, nazvaná RoFI platforma. Tato stavebice se soustředí na to, aby byla snadno dostupná. RoFI kombinují nejnovější poznatky v jedné stavebnici a současný pokrok obohacují o formální specifikaci tvaru jednotlivých modulů. Tato specifikace umožňuje snadnější rekonfigurace v hustých mřížkových sturkturách.

Abstract:

Metamorphic self-reconfigurable robotics is one of the future challenges the field of robotics is facing. This field aims to design and develop an autonomous robotic construction kit, which would allow for the construction of sophisticated robots designed for specific tasks from smaller, simpler, and unified autonomous units (modules). Such an approach to robot construction should yield versatility, easy prototyping, easy self-repair, and high-degree fault-tolerance in theory. In practice, the state-of-the-art is far from reaching these goals. In our research, we focus on design techniques of controllers for these highly-fault tolerant robots. More specifically, a robot assembled from multiple modules should not stop its operation when one or more modules in the system start to provide corrupted data (e.g., from a faulty sensor). We will advance the state-of-the-art in this area by introducing design techniques that are configuration-agnostic. We also address the struggle of metamorphic robots with the research reproducibility in our work. We provide an open-hardware robotic kit -- the RoFI platform -- which is easy to obtain and build; thus, it can serve conveniently as a platform for reproducible experiments. RoFI combines the state-of-the-art in this area in a single platform and advances it by introducing formal platform specification, which dictates modules' shape, suitable for reconfiguration in dense lattice structures.

Keywords

robots, metamorphic robots, modular, fault-tolerant, distributed

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 9. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 28. 1. 2021
• Reader: RNDr. Zdeněk Matěj, Ph.D., prof. Ing. Pavel Václavek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Computer systems, communication and security / Computer systems, communication and security