Autonomous construction of three-dimensional structures using self-actuated parts: A layered self-assembly approach

Abstract

Autonomous construction of structures is a broad area of research and includes the use of robots to transfer structural materials or robots serving as part of the structure themselves. The latter is commonly referred to as self-assembly. Motivated by the challenges that design and execution of the assembly process entails, this thesis focuses on the self-assembly of three-dimensional structures. We propose a novel design of the system architecture for executing the assembly, which establishes the structural elements and information flow for the system. The self-assembly process occurs in three stages: moving, ordering, and placing. Moving deals with the transit of autonomous parts from a deployment position to the assembly position and network control methods are used to control the movement of the robots. Once the assembly location is reached, robots move to the structure one at a time, in order to avoid collisions, and take their place within the structure. Ordering represents the stage where robots compute the sequence at which individual agents will arrive at the structure assembly. An auction-based assignment method is used to order robots. Finally, the placing stage deals with how the robot identifies an empty position in the structure to place itself based on local information only. A set of behaviours are proposed for each robot that searches for an empty position given a predefined structure blueprint. Our results show that the proposed graph-based methods, auction processes, and programmed behaviours allow robots to execute the three-dimensional assembly of the structure faster, using less energy, and with less communication bandwidth when compared to baseline methods. The efficacy of the algorithms proposed were validated using real-world experiments. The structure parts used are micro quadrotors fixed inside a light-weight cubic frame. The assembly of two stair-shaped structures took place in a controlled environment and a motion capture system was responsible for computing robotic states.

La construction autonome de structures est un vaste domaine de recherche et comprend l’utilisation de robots pour transporter des matériaux structurels ou des robots eux-mêmes en tant que composant de la structure. Cette dernière est communément appelée autoassemblage. Motivée par les défis que représente la conception et l’exécution du processus d’assemblage autonome, cette thèse porte sur l’autoassemblage de structures tridimensionnelles. Nous proposons une nouvelle conception de l’architecture du système qui établit ses éléments et ses flux d’informations. Le processus d’autoassemblage se déroule en trois étapes: déplacement, ordre et placement. Le déplacement traite du transit de parties autonomes d’un poste de déploiement à un poste d’assemblage et les méthodes de contrôle en réseau sont utilisées pour contrôler le mouvement des robots. Une fois le lieu d’assemblage atteint, les robots se déplacent un par un vers la structure, afin d’éviter les collisions, et prennent place à l’intérieur de la structure. L’ordre représente l’étape où les robots calculent la séquence à laquelle les agents individuels arriveront à l’assemblage de la structure. Une méthode d’affectation des tâches basée sur les enchères est programmée dans les robots. Enfin, l’étape de placement traite de la façon dont le robot identifie une position vide dans la structure pour se placer en se basant uniquement sur des informations locales. Un ensemble de comportements est proposé pour chaque robot qui recherche une position vide en fonction du plan de structure prédéfini. Nos résultats montrent que les méthodes basées sur les graphes, les processus d’enchères et les comportements programmés permettent aux robots d’exécuter l’assemblage de structures tridimensionnelles plus rapidement, en utilisant moins d’énergie et avec moins de bande passante de communication par rapport aux méthodes de base. L'efficacité des algorithmes proposés a été validée à l'aide d'expériences réelles. Les éléments de structure utilisés sont des micro quadrotors fixés à l'intérieur d'un cadre cubique léger. L'assemblage de deux structures en forme d'escalier a eu lieu dans un environnement contrôlé et un système de capture de mouvement était chargé de calculer les états robotiques.