DE69900882T2

DE69900882T2 - Konstantstromversorgungsschaltung für verbindbare Modulelemente

Info

Publication number: DE69900882T2
Application number: DE69900882T
Authority: DE
Inventors: Mark H. Yim
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: JP2000209781A; EP0996046B1; EP0996046A1; DE69900882D1; JP4018850B2; US6150738A

Description

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Stromversorgungssysteme für große Anzahlen von verbundenen Modulen. Besonders betrifft die vorliegende Erfindung die dynamische Stromversorgung einer variablen Anzahl von verbindbaren Robotermodulen.

Hintergrund der Erfindung

Die Verwendung sich selbst bewegender Roboter, um Strukturen zu bilden, ist lange diskutiert, aber selten verwirklicht worden. Solche Strukturen, die als metamorphe Roboter, vielgestaltige Roboter, gestaltverändernde Roboter oder gestaltbare Strukturen bekannt sind, sind im Prinzip Ansammlungen modularer Roboter, die zusammenwirken können, um eine Struktur zu bilden, oder um eine gestellte Aufgabe auszuführen. Jedoch haben Probleme mit der Konstruktion, der Steuerung und der Stromversorgung einer große Anzahl von Robotern in großem Maße die Verwendung sich selbst bewegender Roboter begrenzt. Das U.S. Patent Nr. 5 145 130 legt eine Roboter-Anordnung offen, die eine Vielzahl miteinander verbundener Roboter enthält.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben dargestellten, zu Grunde liegenden Probleme werden nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 6 gelöst.
Die vorliegende Erfindung sieht sich selbst bewegende Roboter vor, die eine geeignete Konstruktion, eine Steuerung und Stromversorgungsmechanismen haben, um eine große Anzahl von Robotern in vielen Anwendungen zu ermöglichen. Sich selbst bewegende Roboter nach der vorliegenden Erfindung können verwendet werden für die Fortbewegung über eine Anzahl von Geländeformen (für die Ablieferung einer Nutzlast, oder für Inspektion oder Erkundung), für das dynamische Ausbilden von Strukturen (Brücken, Wänden, Stühlen), für eine 3D-Visualisierung (Bilden willkürlicher Formen), für ertastbare Anzeigen oder selbst für dynamisches Prägen (z.B. Bilden des Druckkopfs von Prägepressen). Typisch werden viele kleine, sich selbst bewegende Roboter (,die ein Volumen von z.B. weniger als 10 cm³ haben,) mit einer im Wesentlichen identischen Konstruktion verwendet. Das führt vorteilhafterweise zu Robotern, die gepackt werden können, um den Raum mit minimalen Lücken zu füllen, und ermöglicht Zusammenbauten von Robotern, um strukturelle Veränderungen durch ein Manövrieren um einander herum zu erreichen. Ferner erlaubt die Konstruktion einer großen Anzahl kleiner, modularer Roboter mehr Freiheitsgrade als eine kleine Anzahl größerer Einheiten, während sie auch den leichten Austausch ausfallender Module ermöglicht. Solchen vielfachen Roboter-Systemen ist eine Redundanz mit einer großen Abstufung der Ausfallmodes eigen, die gewöhnlich ein nur allmähliches Versagen anstatt eines katastrophalen Ausfalls des Systems bewirkt. Jeder Roboter-Modul enthält einen Mechanismus, der eine Kommunikation und eine Umschaltung der Stromversorgung zwischen benachbarten Modulen ermöglicht, wobei ein Roboter als Ganzes definiert wird als alle Module in einer verbundenen Komponente.
In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die vorliegende Erfindung einen rhombischen Dodekaeder (sechsseitige Doppelpyramide) oder eine ähnliche Form, die in ein flächenzentriertes, kubisches Gitter als eine Anleitung zum Bauen eines Strukturrahmenwerks für jeden Robotermodul gepackt werden kann. Das Rahmenwerk definiert mindestens eines aus einer Menge von Scheitelelementen, Kantenelementen oder Seitenelementen, das zusammen oder getrennt als ein raumfüllender, rhombischer Dodekaeder geformt ist. Ein Bewegungsmechanismus bewegt das Rahmenwerk relativ zu den anderen rhombischen Modulen mechanisch. Dies kann ein Drehmechanismus sein, der an dem Rahmenwerk angebracht ist, um eine Drehung des Rahmenwerks bezüglich anderer Robotermodule zu ermöglichen, oder ein anderer passender Mechanismus für das Einwirken von Verschiebungs- oder Drehkräften auf die Robotermodule. Eine Energieversorgungseinheit ist mit dem Bewegungsmechanismus verbunden, um Betriebsenergie für die Bewegung zuzuführen, und eine Steuerungseinheit, die mit dem Bewegungsmechanismus und der Energieversorgungseinheit verbunden ist, kann bezüglich jedes Moduls extern oder intern montiert sein, obgleich allgemein intern montierte Energieversorgungsschalteinheiten benötigt werden, falls eine externe Energieversorgung verwendet wird, um die Robotermodule mit Energie zu versorgen.
In bestimmten Ausführungsformen besteht das Rahmenwerk im Wesentlichen aus Scheitelelementen, die von einer Zentralverbindung ausgehen, wobei ein Drehmechanismus an jedem jeweiligen Scheitelpunkt der Scheitelelemente angebracht ist. Alternativ kann das Rahmenwerk im Wesentlichen aus Kanten- (oder Seiten-)elementen bestehen, die miteinander verbunden sind, um einen raumfüllenden, rhombischen Dodekaeder zu definieren, wobei der Drehmechanismus an jeder jeweiligen Kante (oder Seite) der Kantenelemente angebracht ist. Wie zu erkennen ist, kann der Bewegungs- (oder Dreh-) mechanismus elektromechanisch, piezoelektrisch, auf Basis einer elektrisch angestoßen, Form-erinnernden Legierung, hydraulisch, pneumatisch, Schwerkraftassistiert, auf der Basis sich zusammenziehender Polymere oder sich zurückziehender Drähte oder auf der Basis irgendeines anderen passenden Mechanismus sein, der in der Lage ist, eine Verschiebungs- oder Drehbewegung der Robotermodule auszulösen.
Vorteilhafterweise kann ein rhombischer Dodekaeder in dichten, raumfüllenden, dreidimensionalen Feldern gestapelt werden. Jede Seite, Kante oder jeder Scheitelpunkt kann elektrische Platten, Leiter oder andere passende Verbinder für die Übertragung von elektrischer Energie oder von Daten zwischen Robotermodulen tragen. In gewissen Konfigurationen kann ein Zusammenbau von Robotermodulen dreidimensionale Leerräume, Höhlungen, Überhänge oder Unterschneidungen erzeugen, um komplexe, dreidimensionale Strukturen zu modellieren oder darzustellen. Solche Zusammenbauten können gebildet werden unter direkter Führung einer externen Steuerungseinheit (z.B. eines Computers), die jeden Robotermodul anspricht und spezifische Anweisungen an jeden Robotermodul gibt. Alternativ kann eine verteilte Steuerungseinheit, die mindestens zum Teil durch eine Vielzahl individueller Steuerungseinheiten in jeder der Vielzahl von Robotermodulen definiert ist, verwendet werden, allein oder in Verbindung mit einer externen Steuerungseinheit, um den Zusammenbau zu leiten.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren für die Definition eines Strukturzusammenbaus aus einem Zusammenbau beweglicher Robotermodule erfordert die Vorgabe einer Menge von Zielen, Beschränkungen oder Leitlinien für die Position sich bewegender Robotermodule. Von jedem sich bewegenden Robotermodul wird verlangt, dass er sich in der Richtung auf ein Teilstück der Menge der Ziele bewegt, während Information über den Zielerreichungszustand für die Menge der Ziele von jedem der sich bewegenden Robotermodule zu benachbarten Robotermodulen weitergegeben wird. Solch ein Zusammenbauprozeß führt dazu, dass eine bestimmte Struktur graduell aufgebaut wird, ohne dass der bedeutende Rechenaufwand verlangt wird, der mit globalen (Gesamt-) Steuerungsverfahren einhergeht, welche die direkte Bewegung und Position eines jeden Robotermoduls steuern.
Das vorgenannte System für die Konstruktion und den Zusammenbau großer Anzahlen modularer Roboter ist besonders nützlich in Verbindung mit einer ertastbaren Benutzerausgabeschnittstelle an ein Computersystem. Solch ein System kann eine Vielzahl von Robotermodulen umfassen, wobei jeder Robotermodul im Wesentlichen mindestens teilweise ein Polyeder ausbildet (einschließlich raumfüllender Polyeder wie einen rhombischen Dodekaeder, hexagonale Prismen, oder Würfel, oder nicht raumfüllende Polyeder wie ein Oktaeder oder ein Dodekaeder). Jeder Robotermodul ist selbstbewegend hinsichtlich benachbarter Robotermodule, und kann eine Steuerungseinheit umfassen für die Leitung des Zusammenbaus einer vorbestimmten Struktur aus der Vielzahl von Robotermodulen, um eine sichtbare oder ertastbare Ausgabe von dem Computersystem vorzusehen. Jeder Robotermodul kann auch einen Sensor für die Erkennung einer Benutzerausgabe enthalten. Bei Benutzung in Verbindung mit einer Erkennungseinheit für die Überwachung von Veränderungen (in der Position, im Druck, bei der Erkennung von Licht, oder anderer passender, erkennbarer Zustände) kann die Vielzahl von Robotermodulen eine Eingabe in ein Computersystem vorsehen.
Z.B. kann Information von einem dreidimensionalen CAM/CAD-Programm verwendet werden, um eine dreidimensionale Struktur zu definieren, die in der Lage ist, dynamisch konstruiert zu werden durch den Zusammenbau Hunderter oder Tausender Robotermodule in eine sichtbare oder fühlbare Anzeige. Ein Benutzer kann Bereiche der dreidimensionalen Struktur berühren, und die von dem Robotermodul erkannte Bewegung, der erkannte Druck oder die erkannten Lichtveränderungen können als Eingabe in das CAM/CAD-Programm benutzt werden. Ein Benutzer kann sowohl die aktuelle Struktur als auch die virtuelle CAM/CAD-Darstellung unter Verwendung eines solchen Systems interaktiv erzeugen, modifizieren, betrachten oder berühren. Zusätzlich zur Verwendung solch einer dynamisch definierten Struktur als eine Computerschnittstelle für einen Benutzer kann der Zusammenbau von Robotermodulen verwendet werden als Form, Ersatzstruktur (einschließlich z.B. betrachtbarer Terrainkanten oder Prägestempel) oder für jeden anderen passenden Zweck und dabei kann Vorteil aus der schnellen und effizienten, strukturellen Rekonfiguration gezogen werden.
So wichtig wie die Konstruktion und Steuerung ist die Bereitstellung einer angemessenen Versorgung einer großen Anzahl von Modulen mit Energie kritisch für den Betrieb der vorliegenden Erfindung. Während intern montierte Stromversorgungen (z.B. Batterien, Brennstoffzellen oder Photovoltaik) verwendet werden können, ist es allgemein vorzuziehen, eine verfügbare externe Stromversorgung zu haben. Unglücklicherweise sind traditionelle, auf einem Bus geführte Spannungsversorgungen nicht allgemein brauchbar für die Versorgung einer großen Anzahl von regulär oder irregulär gestapelten Modulen, von denen viele nicht leicht an einen feststehenden Bus anzuschließen sind. Die bekannte Alternative, das Verketten der Module für das Vorsehen einer verketteten Stromschiene, die mit einer Spannungsversorgung verbunden werden kann, funktioniert ebenfalls nicht, wenn große Anzahlen von Modulen verwendet werden. Z.B. fließt im Standardverfahren mit konstanter Spannung Strom parallel durch jeden Modul, wobei jeder Modul eine bestimmte Last darstellt. Damit solch ein System funktioniert, muss der Widerstand im Stromversorgungsbus durch die Module klein genug sein, so dass die am weitesten von der Stromversorgung entfernt liegenden Module keinen signifikanten Abfall der Spannung erkennen. Diese Reduktion des Widerstands wird üblicherweise erreicht durch Vergrößern der Abmessungen der Verbindungen oder Drähte. Zusätzlich ist die von jedem Modul abgegebene Energie eine quadratische Funktion des Widerstands. Unglücklicherweise muß die Energieabgabe für jeden Modul für den ungünstigsten Fall ausgelegt werden; mit der Annahme, dass der gesamte Strom durch einen einzigen Modul fließt. Im Betrieb bedeutet dies, dass der für den ungünstigsten Fall ausgelegte Modul eine bestimmte Konstantspannung (z.B. 5 V) und einen durch ihn fließende Strom hat, der durch alle Module geht. Falls jeder Modul 100 mA benötigt und es 1000 Module gibt, dann fließen durch den für den ungünstigsten Fall ausgelegten Modul 100 A. Bei Verwendung von Kupferleitungen als Standard würde der verkettete Strombus durch die Module starke Drähte benötigen, welche die Abmessungen und Gewichte der gesamten Vorrichtung beherrschen würden. Solch eine Begrenzung macht die Stromversorgung mit konstanter Spannung für eine große Anzahl von Modulen allgemein unbrauchbar für mehr als ein paar Dutzend verketteter Module.
Die vorliegende Erfindung bietet eine neuartige Alternative für die Versorgung einer großen Anzahl verketteter Module. Eine Vielzahl von Modulen, wobei jeder Modul Stromanschlußplatten aufweist, enthält eine einzige, dynamisch definierte Wurzelstromanschlußplatte und mindestens eine dynamisch definierte Zweigstromanschlußplatte. Jeder Modul hat ferner eine Stromverteilungssteuerung für die dynamische Definition (über mechanische, elektromechanische, mit analoger Elektronik, mit digitaler Elektronik oder mit Software gesteuerten, digitalen Schaltern) der einzigen Wurzelstromanschlußplatte und der Zweiganschlußplatten. Strom wird nur zwischen der Vielzahl der Module von Zweiganschlußplatten zu Wurzelanschlußplatten derjenigen Module verteilt, die über Stromanschlußplatten angeschlossen sind. Falls eine Versorgung mit konstantem Strom an einen aus der Vielzahl von Modulen angeschlossen ist, um einen im Wesentlichen konstanter Strom an alle aus der Vielzahl von miteinander über Stromanschlußplatten verbundenen Modulen zu liefern, bezieht jeder Module Energie von dem Bus durch Erzeugung eines gewissen Spannungsabfalls über den Modul (was die Spannungsanforderung an die Stromversorgung erhöht). Vorteilhafterweise bezieht jeder Modul die von ihm benötigte Energie unabhängig von irgendeiner anderen Stromanforderung anderer Module, unabhängig davon, wieviel Module gegenwärtig im Zusammenbau einbezogen sind. Wie zu erkennen ist, kann die Versorgung einer großen Anzahl von Module auf eine ähnliche Weise nicht mit einer konstanten Spannungsversorgung erreicht werden, da der verkettete Versorgungsbus effektiv einen Nullwiderstand benötigen würde.
Das Problem der Bestimmung, welche Verknüpfungen hergestellt werden müssen, um einen verketteten Versorgungsbus vorzusehen, der für die Verwirklichung eines System konstanten Stroms geeignet ist, kann global angesprochen werden durch ein passendes, externes Stromschaltsteuerungssystem. Jedes Verkettungssystem muss so handeln, dass jede angeschlossene Stromversorgung nur eine einzige zugeordnete Stromschleife hat und konsequenterweise denselben Strom an jeden Modul in der Schleife liefert. Es kann schwierig sein, diesen konstanten Strom in Systemen zu bestimmen, die anfällig sind für Fehler oder bei einer schnellen Rekonfiguration der Stromversorgung, wenn zusätzliche Module eingefügt werden, Module entfernt werden oder Module ausfallen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein lokales Verfahren für die dynamische Rekonfiguration geschalteter Anschlußplatten zwischen mehrfachen elektronischen Modulen vor, wobei jeder elektronische Modul N Anschlüsse hat, und für jede angeschlossene Stromversorgung nur eine Stromschleife gebildet wird. Im Betrieb wird ein einziger Wurzelschalter für jeden Elektronikmodul bestimmt (dieser Schalter kann ein mechanischer, elektromechanischer, magnetischer, elektrischer oder sogar optischer Kontakt, eine Anschlußplatte oder ein anderes, passendes Schalterelement sein), und die verbleibenden N-1 Anschlüsse in jedem Elektronikmodul werden als Zweigschalter bezeichnet (dieser Schalter kann wiederum ein mechanischer, elektromechanischer, magnetischer, elektrischer oder sogar optischer Kontakt, eine Anschlußplatte oder ein anderes, passendes Schalterelement sein). Ein kontinuierlich geschalteter Verbindungspfad wird dann über vielfache Elektronikmodule beibehalten, wobei ein erster Satz von N ≥ 1 Zweigschaltern in jedem Elektronikmodul mit dem einzigen Wurzelschalter eines anderen verbundenen Elektronikmoduls verbunden ist, und ein zweiter Satz von N ≥ 0 Zweigschaltern inaktiviert ist, um Zweigschalter-zu-Zweigschalter-Verbindungen zwischen Elektronikmodulen zu verhindern. Solch ein System erlaubt Module, die in linearen Feldern, verzweigten Feldern, dreidimensionalen Feldern, Schleifen oder selbst dreidimensionalen Strukturen mit Leerstellen und Höhlungen angeordnet sind. Vorteilhafterweise können mehrfache Stromversorgungen an die Zusammenbauten von Modulen angeschlossen werden, wobei mehrfache geschlossene Pfade gebildet werden, um Strom an alle Module zu liefern.
Die vorliegende Erfindung sieht einen modularen, elektronischen Zusammenbau vor, wobei die Vielzahl von Modulen in zweidimensionalen Feldern angeordnet werden können.
Vorzugsweise kann die Vielzahl von Modulen angeordnet werden, um dreidimensionale Strukturen zu bilden.
Vorzugsweise wird die Vielzahl von Modulen als raumfüllende Polyeder konfiguriert, was eine dichte Packung der Strukturen ermöglicht.
Vorteilhafterweise kann die Vielzahl von Modulen angeordnet werden, um Leerräume zu definieren.
Vorzugsweise enthält der Zusammenbau eine Vielzahl von Stromversorgungen konstanten Stroms, wobei jede Konstantstromversorgung mit einem der Vielzahl von Modulen verbunden ist, um einen im Wesentlichen konstanten Strom an eine Untermenge der Vielzahl von Modulen zu liefern, die miteinander über Stromanschlußplatten verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung sieht einen modularen Roboterzusammenbau vor, wobei die Vielzahl der Module gestapelt werden kann, um dreidimensionale Strukturen zu bilden. Vorzugsweise wird die Vielzahl der Module als raumfüllende Polyeder konfiguriert, was eine dichte Packung der Strukturen ermöglicht.
Vorzugsweise kann die Vielzahl der Module angeordnet werden, um Leerräume zu definieren.
Vorzugsweise enthält der modulare Elektronikzusammenbau ferner eine Vielzahl von Stromversorgungen konstanten Stroms, wobei jede Konstantstromversorgung mit einen der Vielzahl von Modulen verbunden ist, um einen im Wesentlichen konstanten Strom an eine Untermenge der Vielzahl von Modulen zu liefern, die miteinander über Stromanschlußplatten verbunden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine dreidimensionale, "X"-förmige Struktur, die durch einen Zusammenbau von Robotermodulen gebildet wird, wobei jeder Modul im Wesentlichen als ein rhombischer Dodekaeder geformt ist;
Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein im Wesentlichen zweidimensionales Feld von Robotermodulen, die eine ertastbare Anzeige einer "X"-Form bilden;
Fig. 3 ist eine schematische Veranschaulichung zweier rhombischer, dodekaederförmiger Robotermodule, die sich relativ zueinander um eine Scharnierverbindung drehen;
Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine Biegung gewisser Seiten in einem allgemein dodekaederförmigen Robotermodul, um besser eine Rotation der Robotermodule in dicht gepackten Zusammenbauten zu ermöglichen;
Fig. 6 veranschaulicht ein teilweise verteiltes Steuerungsschema für große Zusammenbauten von Robotermodulen;
Fig. 7 veranschaulicht dynamisch geschaltete Konstantstromversorgungsübertragung an drei verbundene Module;
Fig. 8 veranschaulicht elektrisch geschaltete Verbindungen von zwei getrennten Quellen an einen Zusammenbau von Modulen;
Fig. 9 veranschaulicht eine dynamische Rekonfiguration geschalteter Verbindungen, um einen Verbindungsausfall in dem Modulzusammenbau von Fig. 8 nach dem Entfernen eines Moduls zu verhindern;
Fig. 10 veranschaulicht eine Ausführungsform eines mechanischen Schalterschaltkreises, der geeignet ist für Module, die in linearen oder verzweigten linearen Strukturen ohne Schleifen angeordnet sind;
Fig. 11 veranschaulicht ein elektrisches Schaltersystem, das geeignet ist für Module, die willkürlich angeordnet sind; und
Fig. 12 veranschaulicht einen robusten, Ausfall-toleranten Schalterschaltkreis.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, kann ein Zusammenbau 10 von beweglichen Robotermodulen 11 verwendet werden, um eine Struktur 12 zu formen, die im Wesentlichen als ein dreidimensionales "X" geformt ist. Die Struktur 12 ist auf zwei Basen 14 und 15 aufgebaut, die getrennt durch eine elektrische Stromversorgung 16 versorgt werden. Die Form des Zusammenbaus 10 kann mit Hilfe eines externen Steuerungsmoduls 18, mit Hilfe eines verteilten Steuerungssystems in jedem der Robotermodule 11 oder mit Hilfe einer Kombination von internen und externen Steuerungssystemen bestimmt werden. Ein CAD/CAM-System 19 kann verwendet werden, um den Zusammenbau 10 zu entwerfen, oder alternativ können die Module 11 des Zusammenbaus 10 durch einen Benutzer bewegt werden (oder können sich selbst bewegen, wobei die sich ergebende Strukturform durch die Sensoren 17 und das System 19 verfolgt wird, was die Verwendung des Zusammenbaus entweder als Benutzereingabe oder -ausgabe erlaubt.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, kann auf ähnliche Weise ein Zusammenbau 20 von Modulen 22 mit einem erhobenen Relief direkt oder selbst organisiert auf einer Basis 24 mit Stromanschlüssen 25 (,die an eine Stromversorgung 26 angeschlossen sind) angeordnet und insgesamt oder teilweise durch einen Steuerungsmodul 28 mit angeschlossenem CAD/CAM-System 29 gesteuert werden. Wie bei dem Zusammenbau von Fig. 1 ist solch ein System für die Konstruktion und den Zusammenbau einer großen Anzahl von Modulen besonders nützlich in Verbindung mit einer ertastbaren Benutzerausgabeschnittstelle zu einem Computersystem (z.B. System 19 oder 29). Jeder Robotermodul kann auch einen Sensor 27 für die Erkennung der Benutzereingabe enthalten. Beider Benutzung in. Verbindung mit einer Erkennungseinheit für die Überwachung von Veränderungen (in der Position, im Druck, im erkannten Licht oder in einem anderen geeigneten, erfaßbaren Zustand), kann die Vielzahl der Robotermodule eine Eingabe in ein Computersystem vorsehen.
Die Eingabeerkennung kann auf Feldern individueller, druckempfindlicher oder spannungsempfindlicher Sensoren basieren, oder alternativ auf eingebetteten oder angebrachten Positionssensoren. Für bestimmte Anwendungen können kontinuierliche Sensoren (z.B. zweiseitige Blätter von Kapazitätssensoren) angewendet werden. Eine besonders nützliche Art kontinuierlicher Sensoren verwendet mehrfache Kapazitäts- oder Widerstandsstreifen, bei denen ein Verbiegungsdruck ein Position-lokalisierbares Analogsignal ergibt, das proportional zu dem anliegenden Verbiegungsdruck ist. Verschiedene Sensortypen können verwendet werden, einschließlich einfache Kapazitätssensoren, Widerstandssensoren, analoge oder digitale Druckschalter, induktive Sensoren, Hall-Effekt-Sensoren, Wirbelstrom-Sensoren, oder sogar Flüssigkeitsströmungssensoren. In bestimmten Ausführungsformen können Positionssensoren oder Umweltsensoren durch Robotermodule getragen werden. Verschiedene Sensormodes können unterstützt werden, einschließlich absoluter oder relativer Positionsinformation nach Bestimmung durch gyroskopische Sensoren, Beschleunigungsmesser oder akustische oder Infrarotentfernungsmeßtechniken. Sensoren für Umwelteinflüsse, einschließlich konventionellem Licht, Abbild, thermosensitive, elektromagnetische, Vibrations- oder Akustiksensoren können ebenfalls vorkommen. Abhängig von der gewünschten Anwendung können selbst kostenintensive Umwelteinfluss- oder Positionssensoren, wie etwa solche, die differentielle GPS-Positionierung, Bildanalyse oder Bilderkennung, akustische oder Sprachidentifizierung oder differentielle Thermosensoren beinhalten, als Eingabe verwendet werden. Wie zu erkennen ist, können die vorgenannten Sensoren externe Ereignisse, interne Ereignisse oder von Modulen übertragene Ereignisse wie Vibrationen, Kräfte, Verdrehungen oder thermische Übertragungen erkennen.
Sensoren können an konventionelle CISC- oder RISC-Prozessoren angeschlossen werden, die intern in jedem Robotermodul montiert sind. Z.B. können Prozessoren mit geringem Leistungsumsatz, wie etwa die Prozessoren Signetics 87c752 oder 87c751, Motorola 68HC11 oder 68582 oder ARM 710, für die Verarbeitung einer Benutzerberührung verwendet werden. Falls angenehm, können Coprozessoren, wie Analog-Digital-Wandler oder digitale Signalprozessoren, allein oder in Verbindung mit einem Hauptprozessor, verwendet werden. Konventionelle Flash-, statische oder dynamische RAM-Speicher können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, obgleich für bestimmte Anwendungen eingebettete DRAM-Speicher mit höheren Kosten ebenfalls verwendet werden können. In einigen speicherintensiven Anwendungen kann der Speicher zusätzlich Festplattenspeicher einschließen, entweder innerhalb des Robotermoduls gelegen oder über eine externe Verbindung verfügbar, um die Module 18 oder 28 zu steuern.
Wie zu erkennen ist, kann für manche Anwendungen die Verwendung einer externen Kommunikation mindestens teilweise die Verwendung interner Prozessoren und Speicher ersetzen (außer für das, was notwendig ist, um die erforderliche Sensor- oder Kommunikationspufferung und -signalisierung zu unterstützen). Abhängig von dem verwendeten Sensortyp können Sensordaten direkt in digitaler Form dem Steuerungsmodul 18 oder 28 zugeführt werden, oder können durch einen intern montierten Allzweck- Analog/Digitalwandler 39 in digitale Form umgewandelt werden, wie in Fig. 3 zu erkennen ist, welcher typisch einen 4-Bit- oder einen 8-Bit-Bereich vorsieht (obwohl so wenig wie ein Bit und so viel wie 32 Bits von verschiedenen Anwendungen verlangt werden). Wie zu erkennen ist, können Kombinationen von Sensoren und Sensortypen über den gesamten oder über Teile eines jeden Robotermoduls verwendet werden.
Unter Verwendung der von den vorgenannten Sensoren bereitgestellten Informationen von den Zusammenbauten 12 oder 22 kann ein dreidimensionales CAD/CAM-Programm, (das in Verbindung mit den Steuerungsmodulen 18 oder 28 ausgeführt wird,) verwendet werden, um eine dreidimensionale Struktur zu redefinieren, die in der Lage ist, dynamisch durch den Zusammenbau von Hunderten oder Tausenden von Robotermodulen zu einer visuellen oder ertastbaren Anzeige konstruiert zu werden, wie mit Bezug auf Fig. 1 und 2 veranschaulicht wird. Ein Benutzer kann Bereiche der dreidimensionalen Struktur berühren, und die erfaßte Bewegung, der erfaßte Druck oder die Lichtveränderungen, die von den Robotermodulen erkannt werden, können als Eingabe in ein CAM/CAD-Programm verwendet werden. Ein Benutzer kann interaktiv die aktuelle Struktur oder die visuelle CAM/CAD-Darstellung unter Verwendung eines solchen Systems erzeugen, modifizieren oder betrachten. Zusätzlich zur Verwendung solcher dynamisch definierten Strukturen als eine Computerschnittstelle für einen Benutzer kann der Zusammenbau von Robotermodulen in einem Ausgabemode verwendet werden, um Formen, Reliefstrukturen (einschließlich z.B. betrachtbarer Terrainkarten oder Prägestempel) oder irgendeine andere geeignete Struktur erzeugen, und dabei den Vorteil einer schnellen und effizienten, strukturellen Rekonfiguration haben.
Zusätzlich zu den vorgenannten Anwendungen können Robotermodule angewendet werden als selbst optimierende Benutzerschnittstellen (z.B. eine Tastatur mit Tasten, die aus Robotermodulen bestehen, die sich an Kundenkonfigurationen anpassen), als ein Werkzeug zur Prototyperstellung für Human Factor Engineering (z.B. schnelle Größenveränderung oder erneutes Anordnen der Positionen körpergefälliger Strukturen wie als Handgriffe oder als Lendenstützen), oder selbst für die direkte Konstruktion von kundenbemessenen Werkzeugen, Geräten oder Schnittstellenelementen (z.B. Tassen oder Behälter mit verändertem Fassungsvermögen). Robotermodule können die Basis von multifunktionellen Werkzeugen bilden (z.B. kann ein Flachkopfschraubenzieher in einen Kreuzschlitzschraubenzieher umgewandelt werden), oder sie können einen Abschnitt eines Transportzuges für andere Systeme bilden (z.B. können sich bewegende Robotermodule Teile zu gewünschten Stellen tragen, oder können verbunden werden, um elektrische oder mechanische Energie oder Daten zu verteilen). In bestimmten Anwendungen können Robotermodule als in hohem Maß rekonfigurierbare Strukturelemente verwendet werden, welche eine schnelle Konstruktion von Gerüsten, Trägern oder Spannelementen erlauben, um z.B. durch Erdbeben beschädigte Gebäude abzustützen.
Wie zu erkennen ist, können Robotermodule 11, die verschiedene benutzerdefinierte Strukturen bilden, aus verschiedenen Formen konstruiert werden, einschließlich Kugeln, Ellipsoide oder reguläre oder irreguläre Polyeder. Z.B. kann die Gesamtform ähnlich verschiedenen rechtwinkligen Prismen sein, oder kann ein Toroid, flächig oder genügend formbar sein, um eine breite Spanne von benutzerdefinierten, irregulären Formen anzunehmen. Zusätzlich werden vielfache, kooperierende Formelemente unter Verwendung von konventionellem Entwurf überlegt, die eine Verriegelung der vielfachen Formelemente erlauben (z.B. verwenden einer Kugel und eines Sockels, eines Schlosses und eines Schlüssels, oder schlitzbarer oder drehbarer Verriegelungskomponenten). Die Formen können im Wesentlichen starr sein, oder können alternativ eine begrenzte Verbiegung oder externe Rekonfigurationen unterstützen. In bestimmten Anwendungen können in hohem Maß verformbare oder rekonfigurierbare Module verwendet werden, um besser eine Überbrückung zwischen Modulen, eine Raumauffüllung oder spezialisierte Anwendungen zu ermöglichen (z.B. können intern gestützte Strukturen in der Länge variable Teleskopmodule für Gerüste haben). Für die meisten Anwendungen wird die Verwendung von im Wesentlichen identischen Formen vorgezogen, obwohl Entwürfe mit vielfachen Formen (z.B. rechteckige Körper in Verbindung mit Würfeln) in bestimmten Anwendungen verwendet werden können.
Eine besonders bevorzugte Form basiert auf Polyeder mit einer Schale oder einem Rahmenwerk, das mindestens eines einer Menge von Scheitelelementen, einer Menge von Kantenelementen und einer Menge von Flächenelementen definiert, wobei eine Bewegung des Polyeders unter Benutzung eines geeigneten Drehungsmechanismus erreicht wird durch Drehung um Scheitel, Kante oder Seite (z.B. eines Scharniers oder einer Kugel mit Sockel). Scheitelelemente des Polyeders können durch eine von einem zentralen Befestigungspunkt wegstrebende Struktur definiert werden, Kantenstrukturen des Polyeders können als ein Verbindungsrahmen von Kantenträgern definiert werden, und Seitenstrukturen des Polyeders können durch Anbringen von Platten oder Schalen an Kanten, Scheitel oder Flächen definiert werden. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, hat ein besonders bevorzugter Polyeder Scheitelelemente, Kantenelemente oder Flächenelemente, die (allein oder in Kombination) ein Rahmenwerk definieren, das im Wesentlichen als raumfüllende, rhombische, dodekaederförmige Robotermodule 30 und 32 geformt ist. Das Rahmenwerk kann intern durch an den Scheiteln angebrachte Stützen 35 gestützt (und teilweise definiert) sein, die in der Ausschnittdarstellung in Fig. 3 zu sehen ist, oder kann alternativ durch an den Kanten verbundene Flächenplatten definiert sein, oder sogar durch Kantenelemente allein. Eine Drehbewegung des Polyeders, wie in Fig. 3 zu sehen ist, wird durch Scharniere 34 und Stellglieder 36 gestützt, welche elektromechanische, piezoreaktive, auf elektrisch angestoßener, Form-erinnernder Legierungen basierender, hydraulischer, pneumatischer, Schwerkraft-assistierter, auf zusammenziehende Polymere oder zurückziehender Drähte basierende Bewegungsmechanismen oder irgendwelche anderen Bewegungsmechanismen einschließen können.
Rhombische Dodekaeder, wie in Fig. 3 veranschaulicht, sind raumfüllende Isoeder, welche auf viele Weise die dreidimensionale Analogie von Hexagons sind. Rhombische Dodekaeder beseitigen die Schwierigkeiten, denen bei würfelförmigen Modulen und einfacher würfelförmiger Packung begegnet wird. Wie bei Hexagons verlangen sie nur eine einzige, einfache, kantenscharniergestützte Drehbewegung für eine Bewegung von Fläche zu Fläche bezüglich benachbarter rhombischer Dodekaeder, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Die Drehungen um irgendeine Kante eines rhombischen Dodekaeders von einer Packposition zu einer anderen beträgt immer genau 120º. Diese Eigenschaften sind eine Folge rhombischer, dodekaederförmiger Packung in einer flächenzentrierten Würfelstruktur. Bei einer Packung wird jede Kante durch die Nachbarschaft von höchstens drei rhombischen Dodekaeder gebildet. Wenn um eine Kante drei rhombische Dodekaeder liegen, kann keine Bewegung um diese Kante erfolgen - der 360º-Raum ist aufgefüllt. Wenn es nur einen Dodekaeder gibt, kann keine Bewegung vorkommen, da es einen anderen rhombischen Dodekaeder geben muss, um sich herumzudrehen. Eine Bewegung kann nur vorkommen, wenn es genau zwei rhombische Dodekaeder gibt.
Diese Gleichförmigkeit der Kantenbeziehungen ist der Schlüssel zu der Einfachheit des Entwurfs eines Mechanismus, der eine Drehung um die Kanten herum erlaubt. Zusätzlich können Bewegungen durchgeführt werden, die von einer Kante oder Fläche verlangen, dass sie gegeneinander gleiten, was Bedenken über Reibung oder den Entwurf von gleitenden Verbindern beseitigt.
Allgemein gibt es hier zwei grundsätzliche Beschränkungen für eine Bewegung eines rhombischen Dodekaedermoduls nach der vorliegenden Erfindung:
1. Es muss einen rhombischen Eltern-Dodekaeder mit einer gemeinsamen Kante geben, um die herumzurollen ist.
2. Die Bewegung eines Moduls darf nicht mit irgendeinem anderen Modul zusammenstoßen.
In bestimmten Ausführungsformen ist eine zusätzliche Beschränkung, dass der gesamte Zusammenbau vor und nach einer Bewegung zusammenhängend sein muss. Dieses ist eine nützliche Beschränkung unter der Annahme, dass allein eine einzige Versorgungsstromquelle in der Lage ist, alle Module über elektrische Verbindungen mit benachbarten Modulen mit Strom zu versorgen.
Die zweite Beschränkung führt zu "Blockierungsbeschränkungen", da ein Modul die Bewegung eines anderen Moduls blockieren kann. Falls in einem Extrem ein rhombischer Dodekaeder vollständig von Modulen umgeben ist, d.h. dass es 12 benachbarte, rhombische Dodekaeder gibt, eines an jeder Stirnseite, dann kann dieses Modul sich nicht bewegen, ohne an einen seiner Nachbarn anzustoßen. Falls es in dem anderen Extrem nur zwei Module gibt, wie in Fig. 3, dann wird die Bewegung eines über das andere Modul herum rollende Moduls nicht durch irgendeinen anderen Modul blockiert. Bei der Planung einer Bewegung muss die Frage berücksichtigt werden, welche Kante eines rhombischen Dodekaeders zu verwenden ist, und welcher benachbarter Modul die Bewegung des rhombischen Dodekaeders um diese Kante blockieren wird. Falls ein Nachbar, der an einer Fläche angebracht ist, die Bewegung um eine Kante blockiert, dann wird diese Fläche eine Blockierungsfläche für Bewegungen um diese Kante genannt.
In der Praxis können solche Fragen angesprochen werden durch die konstruktive Annahme einer Ebene, die durch die Kante und den Mittelpunkt des rhombischen Dodekaeders gebildet wird, und durch Teilen des rhombischen Dodekaeders in zwei Teile. Fünf Flächen werden vollständig auf einer Seite liegen, fünf auf der anderen und zwei Flächen werden je zur Hälfte geteilt sein. Die zwei geteilten Flächen werden als Blockierungsflächen um die aufgeteilte Kante betrachtet. Zusätzlich sind abhängig von der Richtung der Drehung die fünf Flächen auf einer Seite ebenfalls Blockierungsflächen. Dies wird die 7-seitige Blockierungsbeschränkung genannt. Unglücklicherweise ist diese Beschränkung allgemein gravierend bei der Verwendung rhombischer Dodekaeder für den Zusammenbau dichter Formen. Falls sechs rhombische Dodekaeder an einem gemeinsamen Scheitelpunkt zusammengebracht werden, blockieren alle rhombischen Dodekaeder die Bewegung aller anderen Dodekaeder an allen Kontaktkanten. Die Gruppe ist immobil - kein Modul kann sich weg bewegen. Da die Blockierungsbeschränkung symmetrisch ist, gilt auch die Umkehrung: Module können sich nicht in diese Konfiguration hinein bewegen. Dieser Konfiguration begegnet man innerhalb vieler anderer möglichen Konfigurationen, am bemerkenswertesten in jeder festen Konfiguration mit einer minimalen Dicke größer als drei rhombische Dodekaeder. Deshalb ist die mögliche Menge von Konfigurationen, die allein mit der rhombischen Dodekaederform gebaut werden kann, begrenzt.
Wie durch Betrachtung der Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, wird jedoch das Immobilitätsproblem durch eine geringfügige Modifikation der Modulform des rhombischen Dodekaeders gelöst, welche die 7-seitige Blockierungsbeschränkung zu einer 5-seitigen Blokkierungsbeschränkung reduziert. Insbesondere würden die zwei Flächen, die durch die zweiteilende Ebene aufgeteilt werden, nicht mehr Blockierungsflächen sein. Mit der 5- seitigen Blockierungsbeschränkung gibt es keine Konfigurationen, die immobil sind. Diese Modifikation verlangt, dass ein Scheitel etwa 14% näher zum Mittelpunkt des rhombischen Dodekaeders wandert. Die vier Kanten, die mit Ihm verbunden sind, müssen sich ebenfalls bewegen. Eine Modifikation, die zu der 5-seitigen Blockierungsbeschränkung führt, verlangt, dass die rhombischen Flächen Scharniere um die kurzen Achsen haben, und dass die Flächen geringfügig verkleinert werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Wenn eine mögliche Kollision vorkommt, bewegen sich die vier dreieckigen Hälften der vier Flächen, welche den anstoßenden Gipfel bilden, aufgrund des Unterschieds zwischen der 7- seitigen Blockierungsbeschränkung und der 5-seitigen Blockierungsbeschränkung nach innen, wie in Fig. 5 gezeigt. Bewegliche Scheitel ermöglichen die Beibehaltung rollender Kanten, während die begrenzenden Beschränkungen aufgehoben werden.
Die Verwendung rhombischer Dodekaeder oder modifizierter rhombischer Dodekaeder mit einer ähnlichen Form hat zahlreiche Vorteile. Eines der Kernprobleme für einen sich selbst zusammenbauenden Roboter ist die individuelle Modulbewegung. Für kleine Roboter sind Roll-/Drehbewegungen den Gleitbewegungen vorzuziehen, weil sie weniger Reibung haben, was sehr wichtig ist, wenn die Systeme in der Größe herunter skalieren. Da zusätzlich jede volle 120º-Drehung um eine Kante als eine diskrete Bewegung behandelt werden kann, werden die Bewegungsbeschränkungen, die mögliche Konfigurationen und Bewegungsstrategien bestimmen, vereinfacht. Während die Mechanik der Drehung vereinfacht wird, erhält die flächenzentrierte, würfelförmige Packung viele der gewünschten Merkmale der einfachen würfelförmigen Packung. Wenn zwei Flächen von zwei identischen, rhombischen Dodekaeder ausgerichtet und zusammengepresst (verbunden) werden, führen als Erstes alle Drehungen um eine der vier gemeinsamen Kanten zu einer anderen Menge aufeinander ausgerichteter Flächen. Alle nachfolgenden Drehungen führen zum selben Ergebnis. Während diese Eigenschaft auch für Würfel und alle regulären Polyeder gilt, gilt sie nicht für alle Isoeder (Polygone mit identischen Flächen). Wie zu erkennen ist, vereinfacht diese Eigenschaft von Isoedern die Herstellung. Ein Vorteil sich wiederholender Module ist die Möglichkeit der Stapelfabrikation, was die Kosten einer Einheit minimiert. Zusätzlich kann jeder Modul aus sich wiederholenden Teilen gefertigt werden. Z.B. ist jeder Polyeder aus Flächen gefertigt, jede Fläche aus Kanten und jede Kante aus Scheiteln. Falls der Polyeder ein Isoeder mit gleichförmigen Kanten ist, wie der rhombische Dodekaeder, dann kann eine Stapelherstellung auch auf die Flächen- und die Kantenstufe angewendet werden.
Um die Bewegung individueller Robotermodule in einem Zusammenbau zu bestimmen, sind einige Mechanismen für globale Kommunikation allgemein erforderlich. Diese Kommunikationsmechanismen können direkt, durch die lokale Weitergabe von Nachrichten oder eine Kombination lokaler und direkter Kommunikation sein. Abhängig von der Form der Robotermodule, der verfügbaren Verbindungsmodes, der Packungstypen oder der gewünschten Mobilität können verschiedene Schemata verwendet werden für permanente, zeitweise oder sogar einmalige Kommunikation zwischen Robotermodulen. Z.B. können dicht gepackte, raumfüllende Polyeder Verwendung machen von verdrahteter Verbindungen zwischen Modulen, oder sie können alternativ eine Menge drahtgebundener oder optischer Kommunikationstechnologien verwenden. Im Fall drahtgebundener Verbindungen können Kanten-, Flächen- oder Scheitel-montierte, konventionelle Stecker- und Buchsenverbindungen für die Datenkommunikation verwendet werden. Stecker- und Buchsensysteme bieten sich für Parallelverbindungen für Massen- und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung an. Der genaue Entwurf und die Stellen der elektrischen Verbinder hängt von der beabsichtigten Verwendung ab, und infolge dessen von der Form der Module. Für bestimmte Anwendungen können starre Verbinder im Mittelpunkt einer jeden Seite angebracht werden, was eine Verbindbarkeit zu allen umgebenden Modulen vorsieht. Andere Anwendungen könnten einen komplexeren Entwurf erfordern. Z.B. könnten Module federbewehrte Kontakte an den vier Kantenverbindern anwenden.
Serielle Verbindbarkeit kann ebenfalls in dicht gepackten Anordnungen, wie den in Fig. 1 und 2 veranschaulichten, verwendet werden. Eine serielle Verbindung für die Datenübertragung hat den Vorteil, dass weniger Verbindungen hergestellt werden müssen, und in der Praxis könnten sie zuverlässiger sein. Serielle Kommunikation bietet sich für optische und drahtlose Systeme an, und beseitigt den Bedarf für irgendwelche physikalischen Verbindungen. Für optische Technologien ist die Ausrichtung von Sender und Empfänger immer noch wichtig, obwohl die geschickte Nutzung von Lichtleitern und Auffangtechniken mit Linsen mehr Flexibilität bringen kann. Drahtlose Systeme können viele unterschiedliche Bänder des elektromagnetischen Spektrums (kHz, MHz, GHz) verwenden und dabei eine Menge von Modulationstechniken (Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation oder solche auf der Basis von Codemultiplexzugriffen) benutzen, und können in einem Bereich von Sendeleistung arbeiten. Es besteht allgemein kein Bedarf für eine direkte Ausrichtung, falls das System mit geeigneten Kommunikationstoleranzen entworfen wird. Die Übertragungsweite spielt eine Hauptrolle in dem Entwurf. Falls nur soviel Leistung in einem ausgesandten Signal ist, dass es innerhalb einiger weniger Millimeter des Moduls aufgefangen werden muss, dann sind die Signale isoliert, und die Topologie wird durch die physikalische Verbindbarkeit definiert, und die Komplexität des Systementwurfs wird minimiert, um Interferenzen von benachbarten Signalquellen zu vermeiden. Ein alternativer Entwurf ist die Verwendung leistungsstärkerer Funksignale. In diesem Fall sind alle Module in der Lage, alle anderen Module anzusprechen, und die Verbindbarkeit zwischen Modulen bedarf einer Definition mit einem anderen Parameter. Signalstärke kann verwendet werden, oder, gezielter, Information, welche die Identifikation eines Robotermoduls auf eine räumliche Karte bezieht, welche die Position aller Module in dem Zusammenbau beschreibt. Als digitale Paketdatensysteme, die auf derselben Frequenz arbeiten, sind CSMA-CD- oder CSMA-CA-Systeme (Systeme mit Vielfachzugriff durch Trägererfassung) wohlbekannte Techniken, um dieses Problem zu lösen. Andere Lösungen betreffen Module, die unterschiedliche Frequenzen verwenden, wobei die Frequenzen abhängig von der Leistung der Sender wiederverwendet werden. Ein noch anderer Ansatz ist die Verwendung von CDMA (Vielfachzugriff durch Codetrennung), die sich auf die Überlagerung von Signalen in demselben Bereich des elektromagnetischen Spektrums verläßt, eine Technik, die als gespreizte Spektrummodulation bekannt ist.
Wie zu erkennen ist, können verschiedene konventionelle Algorithmen verwendet werden, um die Verteilung von Information zwischen autonomen Robotermodulen zu unterstützen, um die Erzeugung der gewünschten Ausgaben, wie vorstehend diskutiert, zu unterstützen. Diese Systeme können eine Hauptsteuerung (z.B. den Steuerungsmodul 18 von Fig. 1 bzw. den Steuerungsmodul 28 von Fig. 2) haben, um Bewegungssteuerungsdaten zu erzeugen, oder es können verteiltere, in den Modulen basierte Steuerungsschemata benutzt werden. Die beispielhaften Algorithmen unten beschreiben, wie die Information sich zwischen Modulen bewegen kann.

Verkettete Routenbildung

Module werden angeordnet, um eine logische Verbindbarkeit zu einander zu haben, so dass jeder Informationen zum nächsten in einer vordefinierten Reihe überträgt. Von den Modulen kann gesagt werden, dass sie miteinander in einer Reihe verkettet sind. Jede Information, die zum Beginn der Kette gesendet wird, enthält eine ID, und der erste Modul in der Kette vergleicht sie mit seiner eigenen ID. Falls sie damit übereinstimmt, reagiert er auf die Daten. Falls das nicht der Fall ist, sendet er die Daten weiter zum nächsten Modul in der Kette, bis die Information ihr Ziel findet.

N-fältige Routenbildung

Bei der N-fältige Routenbildung ist der Pfad zu dem Ziel in der ID der Vorrichtung enthalten. Eine einfache Routenbildung basiert auf vierfältiger Routenbildung zwischen physikalisch verbundenen Modulen. In vierfältiger Routenbildung wird ein Feld konzeptuell angeordnet als ein vierfältiger Baum mit einem Eingang und drei Ausgängen. In diesem System enthält jedes Bitpaar der ID ein Kommando für die Route. Eine 0 bezeichnet, dass das Paket zum ersten Ausgang zu senden ist, eine 1 bezeichnet, dass das Paket zum zweiten Ausgang zu senden ist, eine 2 bezeichnet, dass das Paket zum dritten Ausgang zu senden ist, und eine 3 bezeichnet keine weitere Übertragung. Es gibt auch einen Zähler, der durch jeden Knoten herabgezählt wird, um nachfolgenden Knoten die Bitnummer mitzuteilen, die gegenwärtig und dann betrachtet wird, wenn das Paket sein Ziel' erreicht hat. Auf diese Weise werden Pakete von Knoten zu Knoten weitergereicht, mit einer einfachen Wahl auf jeder Stufe, bis sie ihr Zielmodul erreicht haben. Wie zu erkennen ist, ist es möglich, N-fältige Systeme zu entwerfen mit mehr als drei Ausgängen (eine Potenz von 2 ist gewöhnlich günstig für die Verwirklichung (z.B. 4, 8, 16...)).

Fluten

Fluten (d.h. Breite beim ersten Durchlauf hat keine vordefinierte Routenstruktur. Der Steuerungsmodul nimmt ein erstes Paket von einem Quellmodul und prüft, ob es die korrekte ID für diesen Modul hat. Falls nicht, wird das Paket zu allen direkt verbundenen Modulen gesendet, zu denen es bisher noch nicht gesendet oder von denen es bisher noch nicht empfangen wurde. Das Ergebnis ist eine Flut von Kopien des Pakets über das Modulfeld, wobei ein korrektes Paket schließlich sein Ziel erreicht. Die Pakete müssen auch einen maximalen Knotenzähler haben, um sicherzustellen, dass sie schließlich aus dem System entfernt werden. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass viel mehr Module mit der Verarbeitung unerwünschter Daten belastet wird, als in den zwei vorgenannten Schemata, was die Gesamteffizienz des Systems beeinträchtigen kann.

Heiße Kartoffel

Der Heiße-Kartoffel-Algorithmus ist ähnlich dem Flutungsalgorithmus, außer dass ein erneut übertragenes Paket über nur einen Ausgang ausgesendet wird, der entweder zufällig ausgewählt wird oder der am wenigsten ausgelastet ist. Der Prozeß endet, wenn das Paket den korrekten Modul erreicht hat. Die Zeit, die ein Paket für das Erreichen des Ziels benötigt, ist nicht deterministisch.
Zusätzlich zu Modulform, Modulbewegung und Datenverteilung zwischen Modulen ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung die Konfigurationsplanung für Module. Dies wird am besten mit Bezug auf Fig. 6 erkannt, welche eine mögliche Ausführungsform eines Prozesses 50 für die Umsetzung einer Anfangskonfiguration 52 von Robotermodulen (so wie oben diskutiert) in eine Schlußkonfiguration 70 veranschaulicht. Die Bewegung eines jeden Moduls in einem Zusammenbau wird iterativ bestimmt, wie mit Bezug auf Kasten 60 und die folgende Beschreibung eines Robotermodulbewegungsverfahrens des geordneten nächsten Ziels bemerkt wird:
In diesem Verfahren bewegt sich jeder Modul in Richtung auf das nächste verfügbare Ziel, während es Informationen von benachbarten Modulen über den Zustand dieses Ziels erhält. Bestimmte Beschränkungen werden für die Reihenfolge eingeführt, mit der die Ziele erreicht werden. Diese Beschränkungen können durch die individuellen Module. als eine Funktion der Zielorte bestimmt werden. Jeder Modul wählt eine Bewegungsrichtung auf Basis einer euklidischen Entfernungsheuristik, aber legt ein höheres Gewicht auf Stellen mit zwei oder mehreren Nachbarn. Die Information, die pro Zeitschritt kommuniziert wird, ist unabhängig von der Anzahl der Module.

Informationsspeicherung und -weitergabe

Jeder Modul beginnt mit einer Darstellung aller Zielorte und seinem gegenwärtigen Ort. Er fügt Information über den gegenwärtigen Zustand eines jeden Ziels hinzu, wie etwa, ob er das zu erreichende Ziel kennt. Jeder Modul speichert auch dynamisch seinen eigenen Zustand; die Anzahl und den Ort seiner gegenwärtigen Nachbarn. Die Informationsweitergabe ist begrenzt auf Information, die für einen Modul wichtig ist, durch Begrenzung auf Anfragen über die Zustandsinformation eines Nachbarn. Beispiele enthalten die Nachfrage nach Information über ein bestimmtes Ziel, oder die Nachfrage über den Nachbarn eines Nachbarn.

Beschränkung der Reihenfolge der Ziele

Um sicherzustellen, dass alle Ziele erreicht werden können, beschränkt der Algorithmus die Reihenfolge, in der Ziele erreicht werden. Die Grundidee ist, eine Ebene über die Zielinformation zu streifen und dabei Zielorte zu füllen, wie die Ebene sich vorbeibewegt; tatsächlich bewegen sich manche Regionen schneller als andere. Jeder Modul benötigt nur das Wissen über die Vorzugsrichtung der Ebene.
Zuerst wird ein Koordinatensystem über den Modulen definiert. Für flächenzentrierte würfelförmige Packung können die Module auf einem dreidimensionalen Schachbrettgitter zentriert werden: definiert als jeder ganzzahlige Ort auf einem dreidimensionalen Gitter, für das die Summe der Koordinaten x, y und z geradzahlig ist.
Für jeden Zielort G ist definiert:
H(G) = Y + z,
wo y und z die y- und z-Koordinaten von G sind. Diese Funktion definiert die Richtung der Ebene.
Es werden zwei Orte als Scheitel-benachbart definiert, wenn sie mindestens einen Scheitel gemeinsam haben. Dann ist G zielbeschränkt, falls ein Scheitel-benachbartes Ziel N von G, N ungefüllt und H(N) < H(G) ist. Mit anderen Worten: Ziele in der Nähe von G mit niedrigeren H-Werten müssen zuerst gefüllt werden. G ist zulässig, falls es nicht zielbeschränkt ist.
Der Grund, warum hier Scheitel-benachbart anstelle Flächen-benachbart (mit gemeinsamer Fläche) verwendet wird, ist, dass möglichweise eine Interferenz auftreten kann zwischen zwei Modulen, die Scheitel-benachbart aber nicht Flächen-benachbart sind.
Es wird bemerkt, dass unter dieser Beschränkung höchstens 7 Nachbarn von G gefüllt werden, bevor G gefüllt wird. Dieses Ergebnis korrespondiert mit der physikalischen Beschränkung, bei der ein Modul bei 6 bis zu 7 Nachbarn haben kann und unter Verwendung der zuvor diskutierten 5-Seitenbeschränkung dennoch frei ist, sich zu bewegen.

Reservierungsbeschränkung

Ein Modul am Ort L und in Bewegung auf das Ziel G kann ein Ziel reservieren, falls L benachbart zu G ist und
H(L) > H(G) ist.
Falls ein Modul diese zwei Kriterien erfüllt, verzeichnet er die Zeit, zu der er das Ziel reserviert hat. Der Module behält dann diese Reservierung für 100 Schritte oder bis es mit. einem Nachbarn kommuniziert, der dasselbe Ziel zu einem früheren Zeitpunkt reserviert hat; nachdem er sich in dessen Nachbarschaft bewegt hat, erfragt er ihn und kommuniziert diesen Zustand. Falls irgendeiner seiner Nachbarn sich auf dasselbe Ziel zu bewegt, verzeichnet der Nachbar, dass das Ziel reserviert worden ist, und wird gezwungen, ein unterschiedliches Ziel auszuwählen. Diese Reservierungsinformation wird dann von diesen Nachbarn weitergegeben an andere Module, die sich auf dieses Ziel zu bewegen. Durch den Zwang auf andere Module, andere Ziele zu wählen, sollte der Modul, der die Reservierung macht, mehr Bewegungsraum haben und in der Lage sein, sein Ziel zu füllen.

Hilfe

Ein Ziel G hat allgemein ein benachbartes Ziel P derart, dass H(P) < H(G) ist. Nach der Reihenfolgebeschränkung wird P vor G gefüllt werden, so dass dann, wenn ein Modul G reserviert, der Modul P als seine Eltern benutzt, um zum Erreichen von G über P zu rollen. In dem Fall, in dem solche Eltern P nicht existieren, kommt eine von zwei Aktionen vor. Falls G nach der Reihenfolgebeschränkung vor allen seinen benachbarten Ziele gefüllt werden muss, dann kann G nicht reserviert werden. Falls ein Modul andererseits G reserviert, setzt er einen Merker für benötigte Hilfe. Falls ein benachbarter Modul sich ebenfalls zu G hin bewegt, dann hilft er dem reservierenden Module durch eine Bewegung zu einem benachbarten Ort L, für den H(L) < H(G) gilt, anstatt ein anderes Ziel zu wählen. Der reservierende Modul kann den Merker für benötigte Hilfe zurücksetzen und über den Helfer hinwegrollen, um sein Ziel zu erreichen.

Entscheidungsfindung

Auf der Basis dessen, was ein Modul über die verschiedenen Ziele weiß, kann er das naheste unbeschränkte Ziel wählen und sich dorthin zu bewegen beginnen. Wenn ein Modul einen gewünschten Zielort erreicht hat, hört er auf sich zu bewegen. Dies sichert ab, dass die Zulässigkeit von Zielen niemals überschätzt wird, d.h. ein Module kann ein Ziel als beschränkt betrachten, wenn es nicht beschränkt ist, aber das Umgekehrte kommt niemals vor. Dies sichert ab, dass dann, wenn ein Ziel zulässig ist, es niemals unzulässig wird. Information über das Füllen von Zielen wird also niemals überschätzt. Manchmal hat ein Modul keine Ziele, auf die er sich zu bewegt. Dann bewegt er sich auf ein Ersatzziel D zu, das z.B. aus der Zielkonfiguration berechnet werden kann durch:
D = M + (0, 4, 4)
Wo M der Zielort mit maximalem H(M) ist und das geordnete Triplet mit den (x, y, z)- Koordinaten korrespondiert.
Es wird bemerkt, dass für alle Ziele G H(D) ≥ H(G) + 8 ist. Dies hilft, die Überfüllungssituationen zu entspannen durch die Möglichkeit, dass Module, die sich nirgendwohin zu bewegen haben, sich wegbewegen, so dass die Ziele von den Modulen gefüllt werden, die sie reserviert haben.
An jedem Ort wählen Module eine Richtung für die Bewegung zum Ziel hin durch Befragen des Nachbarn eines Nachbarn, um alle möglichen erreichbaren Nachbarorte zu bestimmen, zu denen er sich hin bewegen kann. Er bewertet dann diese Orte nach den folgenden Kriterien:
1. ein Ort ist das gewünschte Ziel; höchste Priorität
2. ein Ort hat mindestens ein gefülltes Ziel als Nachbar, mittlere Priorität
3. ein Ort hat mindestens zwei benachbarte Module; niedrige Priorität
Der euklidische Abstand wird als ein Nebenkriterium verwendet, wobei Orte am nahesten zum gewünschten Ziel anderen Orten vorgezogen werden. Gleichstände werden zufallsbedingt aufgelöst. Aufgrund des zweiten und dritten Kriteriums neigen die Module dazu, zusammen zu bleiben anstatt sich in langen Ketten zum Ziel hin auszuweiten. Der Mangel langer Ketten führt zu einer signifikanten Abnahme in der Anzahl lokaler Minima für die euklidische Abstandsheuristik. Um aus den wenigen lokalen Minima zu entfliehen, die tatsächlich vorkommen, verwenden Module ein simuliertes Entspannen, wobei sie gelegentlich die Prioritätsregeln mißachten und einen weniger günstigen Ort wählen.

Komplexitätsanalyse

Die Informationsweitergabe ist begrenzt auf nur die Information, die für einen Modul am wichtigsten ist. Ein Module kann nur seine Nachbarn über das folgende befragen:
1. Wurde mein Ziel bereits gefüllt?
2. Hat ein anderer Module mein Ziel reserviert?
3. Benötigst Du Hilfe? Hilfst Du mir?
4. Füllst Du ein Ziel, dass ich nicht weiß, dass es gefüllt worden ist?
Wenn ein Module irgendeine Information von diesen Anfragen erkennt, verzeichnet er die Erkenntnis in seinem eigenen Satz von Zustandsinformationen. Dieser Prozeß ermöglicht, dass Information nach und nach an alle Module weitergegeben wird. Falls ein Module unter Verwendung von Anfrage (4) erkennt, dass ein bestimmtes Ziel G gefüllt ist, kann er auch nach der Reihenfolgebeschränkung bestimmen, welches andere Ziel gefüllt worden sein muss, bevor G als zulässig erlaubt war.
Der vollständige Algorithmus wird in Zeitschritten verarbeitet. Ein Zeitschritt ist definiert als die Zeit, die ein Modul braucht, eines oder mehreres des Folgenden durchzuführen:
Auswählen unter den Zielen, die er als zulässig betrachtet
Befragen benachbarter Module
Überrollen benachbarter Module
Die folgende Komplexitätsanalyse verwendet die Definition eines Zeitschritts. Da Information streng begrenzt ist, und die Bewegungsheuristik sehr wenig kostet, folgt für die Zeitkomplexität pro Modul:
Informationskommunikation: O(1) pro Zeitschritt
Berechnungszeit: O(g), wo g die Anzahl der Ziele ist
Speicheranforderung: O(g)
In der gegenwärtigen Verwirklichung ergibt sich die Berechnungszeit im ungünstigsten Fall aufgrund der periodischen Suche nach dem nahesten Ziel. Mit einem Vorberechnungsschema wird erwartet, dass diese sich zu O(log(g)) oder O(1) reduzieren läßt mit vielleicht einem moderaten Anstieg in der Informationskommunikation und/oder der Speicheranforderung.
Diese Berechnungen nehmen eine Hardware-Lösung für die Bestimmung an, ob die Kontinuitätsbeschränkung gebrochen werden sollte, für die bisher keine effiziente Software-Lösung gefunden worden ist.

Algorithmusverifikation

Der geordnete Zielplaner für das naheste Ziel wurde für verschiedene Testfälle simuliert. Diese Testfälle beginnen in anfänglich quadratischen Konfigurationen verschiedener Größe mit Zielkonfigurationen unterschiedlicher Komplexität, einschließlich: einem ebenen "X" mit 54 rhombischen Dodekaedern (ähnlich dem schematisch mit Bezug auf Fig. 2 veranschaulichten), einer Teetasse mit 441 rhombischen Dodekaedern und eine hohle Kugel mit 625 rhombischen Dodekaedern. Der Zusammenbau von einer quadratischen ebenen Form zu der Form einer Teetasse benötigte 1808 Zeitschritte, um ihn innerhalb eines 64 · 64 · 64 -Arbeitsraumgitters zu vervollständigen. Für einige Formen wurde eine 100%-ige Vollständigkeit nicht erreicht. Die Hohlkugel endete manchmal damit, dass rhombische Dodekaeder im Inneren gefangen wurden und nicht in der Lage waren, Orte außen zu erreichen. Die Situation veränderte sich abhängig von der Dicke der Hohlkugelwand. Die erfolgreiche Vervollständigung einer Hohlkugel mit 625 rhombischen Dodekaedern beanspruchte etwa 3442 Zeitschritte.
Das Vorsehen einer angemessenen Stromversorgung für eine große Anzahl von Modulen verlangt die Bestimmung, welche Verbindungen zwischen Modulen gemacht werden müssen, um einen geketteten Stromversorgungsbus vorzusehen. Ein geeigneter Mechanismus ist mit Bezug auf Fig. 7 zu sehen, die schematisch ein System 80 mit drei Modulen (den Modulen 86, 87 und 88) veranschaulicht, das gleichzeitig Strom von einer Konstantstromversorgung 82 und Daten über eine geeignete Signalmodifikation des Stroms durch ein optionales Signalmodul 84 tragen kann. Vorteilhafterweise verlangt das Konstantstromversorgungssystem 80 keine globale Adressierung durch ein geeignetes externes Stromschaltsteuerungssystem. Statt dessen kann jeder Modul 86, 87 und 88 das Schalten des Stroms lokal steuern (mit den Schaltern 90, 91 und 92, die über die elektrischen Modulkontakte 93, 94, 95, 96, 97, 98 und 99 wirken), wodurch folglich die Fehlerredumdanz des Systems verbessert wird und eine schnelle Rekonfiguration der Stromversorgung gesichert wird, wenn zusätzliche Module eingefügt werden, Module entfernt werden oder Module ausfallen.
Wie mit Bezug auf Fig. 7 zu erkennen ist, sieht die vorliegende Erfindung ein lokales Verfahren für die dynamische Rekonfiguration geschalteter Verbindungspfade zwischen vielfachen Elektronikmodulen vor, wo jeder Elektronikmodul N Verbindungen hat (in diesem Fall (3) mögliche Verbindungen pro Modul). Solche geschalteten Verbindungspfade können verwendet werden für die Übertragung elektrischer Leistung, die Übertragung von Daten die Übertragung von elektrischer Leistung und von Daten, oder irgendwelcher anderen geeigneten Ressourcen (z.B. Flüssigkeit oder Partikelübertragung zwischen Modulen). In bestimmten Anwendungen, wie etwa verkettete Routenbildung, werden dynamisch rekonfigurierbare Verbindungspfade nach der vorliegenden Erfindung sogar verlangt.
Im Betrieb wird ein einziger Wurzelschalter für jeden Elektronikmodul bestimmt, wobei die verbleibenden N-1 Verbindungen in jedem Elektronikmodul als Zweigschalter etikettiert werden. Ein kontinuierlich geschalteter Verbindungspfad wird dann erhalten durch vielfache Elektronikmodule, wobei eine erste Menge von N ≥ 1 Zweigschaltern in jedem Elektronikmodul mit dem einzigen Wurzelschalter eines anderen verbundenen Elektronikmoduls in Verbindung steht, und eine zweite Menge von N ≥ 0 Zweigschaltern inaktiviert ist, um eine Zweigschalter-zu-Zweigschalter-Verbindung zwischen Elektronikmodulen zu verhindern. Solch ein System unterstützt Module, die in linearen Feldern, verzweigten Feldern, dreidimensionalen Feldern, Schleifen oder sogar dreidimensionalen Strukturen mit Leerräumen oder Höhlungen geordnet sind.
Als ein Beispiel des Betriebs des vorgenannten Verfahrens wird der Stromversorgungsübertragungspfad (mit Pfeilen versehene Linien) für die Module 86, 87 und 88 in Fig. 7 betrachtet. Wenn eine Stromversorgung an den Modul 86 angeschlossen wird, bestimmt der Schalter 90, dass der Kontakt 93 ein Wurzelkontakt für den Modul 86 ist, und die verbleibenden Kontakte 94 und 99 werden als Zweigkontakte etikettiert. Auf ähnliche Weise, wie Schalter 90 bestimmt, dass der Kontakt 93 ein Wurzelkontakt für den Modul 86 ist, wird dann, wenn die Stromversorgung von dem Modul 86 an den Modul 87 geführt wird, der Kontakt 95 als Wurzelkontakt definiert, und der Kontakt 96 wird als Zweigkontakt etikettiert. Dieses Muster wird bei Modul 88 weitergeführt, wo der Kontakt 97 als Wurzelkontakt und der Kontakt. 98 als Zweigkontakt bestimmt wird. Ein kontinuierlich geschalteter Verbindungspfad wird dann durch die Module 86, 87 und 88 aufrecht erhalten, wobei die Zweigkontakte 98 und 99 durch elektromechanisches Zurückziehen der Kontakte inaktiviert werden, um eine Zweig- zu-Zweig-Verbindung zwischen Elektronikmodulen zu verhindern.
Wie mit Bezug auf Fig. 8 und 9 zu erkennen ist, ermöglicht eine dynamische Rekonfiguration der Stromversorgung über lokale Schalter nach der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise vielfache Stromversorgungen, die mit Zusammenbauten von Modulen verbunden werden, wobei vielfache, geschlossene, elektrische Pfade gebildet werden, um alle Module mit Strom zu versorgen. Wie in Fig. 8 zu erkennen ist, werden die Module 106 und 107 von einer Basisplatte 110 bzw. 1112 mit Strom versorgt. Da jeder Modul in dem Modulzusammenbau 100 nur einen Wurzelschalter haben kann, und das System zwei Stromversorgungsquellen hat (die Basisplatten 110 und 112), hat das System zwei Stromschleifen: die erste durch die Module 106-103- 101-102-104 und die zweite durch die Module 107-105. Es wird bemerkt, dass, obwohl sich die Module 103 und 104 einander gegenüberstehen, sie elektrisch nicht verbunden sind (mit unter lokaler Schaltsteuerung physikalisch getrennten Kontakten), da die sich gegenüberstehenden Kontakte beide Zweigkontakte sind. Sobald in der Praxis ein Kontakt als ein Zweigkontakt definiert ist, wird er zurückgezogen, um eine elektrische Zweig-zu-Zweig-Verbindung zu verhindern, während Wurzel-zu- Zweig-Verbindungen ermöglicht werden. Auf ähnliche Weise stellen die sich gegenüberstehenden Module 104 und 105 ebenfalls Zweig-zu-Zweig-Verbindungen dar, und so wird ein elektrischer Kontakt wiederum nicht hergestellt, und die getrennten Stromschleifen von Basisplatte 110 und 112 werden beibehalten.
Wie in Fig. 9 zu sehen ist, rekonstruiert das System bei einem Entfernen eines Moduls 103 von dem Zusammenbau 100 von Fig. 8 den Stromversorgungspfad lokal und dynamisch. Wenn Module von der Stromversorgung abgetrennt werden, bewegen sich die Kontakte in ihre Ausgangszustände, wobei die Wurzelkontakte ausgefahren sind. Der mit Strom versorgte Kontakt von den Modulen 106 und 107 wird als Wurzelkontakt etikettiert, während die anderen Kontakte in den Zweigzustand zurückgezogen werden, was eine Fortsetzung der Stromversorgung eines jeden Moduls ermöglicht.
Ein alternativer Weg, um mindestens einiges des vorstehend beschriebenen Schaltverhaltens in verbundenen Modulen zu verwirklichen, wird mit Bezug auf Fig. 10 veranschaulicht. Wie in Fig. 10 zu erkennen ist, kann ein ausschließlich mechanischer Schalter verwendet werden, der mit einer Stromversorgung 122 verbindbar ist, um die Module 124 und 126 mit geschalteter Stromversorgung in einem linearen, einem linear verzweigten oder in anderen, nicht schleifenförmigen Mustern anzuschließen. Wie in Fig. 10 zu sehen ist, hat jede Anschlußplatte sowohl eine positive Ader 128, die herausragt, und eine negative Ader, die nicht herausragt. Wenn zwei Anschlußplatten angebracht werden (z.B. zwischen den Modulen 124 und 126), kontaktiert die längere Ader 128 die negative Ader und drückt gleichzeitig den Schalter 129 am anderen Modul auf und verhindert damit vielfache Versorgungsstromschleifen.
Wegen der Abwesenheit von fehleranfälligen, beweglichen Teilen ist es allgemein am besten, die Anzahl beweglicher Teile zu minimieren. Wie mit Bezug auf Fig. 11 zu erkennen ist, Kann eine NMOS-(Anreicherungsmode)-Verwirklichung mit wenigen beweglichen Teilen innerhalb eines wiederholten Moduls verwendet werden, um automatisch die Stromversorgung durch viele angebrachte Module (nicht gezeigt) zu und von einer kontinuierlichen Schaltkreisschleife führen. Fig. 11 zeigt vier Modulanschlußplatten mit vier Verbindern in jeder Modulanschlußplatte für Idd, Iss, Vout und Vin. Wie die in der Technik Bewanderten erkennen können, kann der Entwurf leicht für eine veränderte Anzahl von Anschlußplatten modifiziert werden. Die mit Idd und Iss etikettierten Verbinder bilden die Verbindung für die Konstantstromleitung. Die mit Vout und Vin etikettierten Verbinder korrespondieren mit einer zweiten Leitung mit niedrigem Strom und hoher Spannung, deren Zweck es ist, Spannungen zu liefern, die hoch genug für das Schalten der MOSFETs ist. Wenn ein Modul an eine Stromversorgung angeschaltet wird, wird eine Konstantstromquelle an Idd und Iss angeschlossen, und im Wesentlichen zur selben Zeit wird durch Anbringen der elektrischen Verbinder eine Spannung an Vin angelegt. Die Spannung an Vin ist hoch genug, um die verwendeten MOSFETs durchzuschalten (z.B. 10 V) relativ zum höheren Spannungspegel an Idd. Idd ist die Seite der Versorgung mit höherem Pegel. Die gezeigten Widerstände haben genügend hohe Werte, so dass der Strom durch den Bus niedrigen Stroms im Vergleich zum Strom im Bus höheren Stroms niedrig bleibt.
Zusätzlich zu den MOSFETs sind die physikalischen Schalter 145, 146, 147 und 148 normalerweise geschlossen, und sie werden durch das Anlegen einer passenden Anschlußplatte geöffnet. An jeder Anschlußplatte können die Schalter magnetisch zu öffnende Reed-Schalter, Opto-Unterbrecher oder durch die Aktion des Zusammenbringens von zwei Modulen physikalisch öffnende physische Kontakte sein.
Wenn Module an die Anschlußplatten angeschlossen werden verbindet sich der Idd- Kontakt einer Anschlußplatte mit dem Iss-Kontakt der Anschlußplatte des angeschlossenen Moduls und umgekehrt; auf ähnliche Weise Vout und Vin. Während Iss und Idd die Routenbildung für den Versorgungsstrom liefern, geben Vout und Vin eine höhere Spannung weiter, um den Pfad zu schalten und auch ein Verfahren zu ermöglichen, um zu bestimmen, welche Anschlußplatte die Wurzelplatte sein sollte.
In Fig. 11 ist die Konstantstromleitung ausgezogen gezeichnet. Es wird bemerkt, dass die MOSFETs 139-143 in Serie mit der Schaltkreisschleife geschaltet sind, und so die Idd- und Iss-Leitungen kettenartig von Anschlußplatte zu Anschlußplatte anschließen bzw. abtrennen können. Die MOSFETs 140, 141, 142 und 143 werden verwendet, um die Verbindung zwischen Idd und Iss derselben Anschlußplatte zu schließen oder zu trennen. Falls kein Modul an einer Anschlußplatte anliegt, dann sind Idd und Iss auf dieser Anschlußplatte miteinander kurz zu schließen, um Kontinuität zu bewahren. Falls ein Modul anliegt, dann dürfen Idd und Iss dieser Anschlußplatte nicht miteinander kurz geschlossen werden, so dass der ganze Strom durch Idd und Iss zu dem Nachbarmodul fließt. Wie nennen diese MOSFETs Abschluß-MOSFETs, weil sie dazu dienen, den Zweig des Moduls abzuschließen. Die MOSFETs 136, 137, 138 und 139 werden verwendet, um die Idd-Leitung zu einem Nachbarmodul durchzuschalten oder aufzutrennen. Falls ein Modul ohne Stromversorgung (oder Wurzelanschlußplatte) an einer Anschlußplatte anliegt, dann muß der korrespondierende MOSFET eingeschaltet sein, damit Strom durch Idd fließt, um den Modul mit Strom zu versorgen. Falls der Nachbarmodul bereits mit Strom versorgt wird (eine Zweiganschlußplatte) und die gegebene Anschlußplatte ebenfalls mit Strom versorgt wird (eine Zweiganschlußplatte), dann darf kein Strom fließen, und so wird Idd über die korrespondierenden MOSFETs 136, 137, 138 oder 139 aufgetrennt. Wer nennen diese MOSFETs Durchlaß-MOSFETs, da sie arbeiten, um einen Nachbarmodul mit Strom zu versorgen oder eine Stromversorgung aufzutrennen.
Jede Anschlußplatte hat einen ihr zugeordneten Abschluß-MOSFET und einen Durchlaß-MOSFET. Die fünf MOSFETs, die in 131 und identisch in 132, 133 und 134 zusammengruppiert sind, werden verwendet, um die Abschluß-MOSFETs und Durchlaß-MOSFETs zu schalten, und sind auch einer gegebenen Anschlußplatte zugeordnet. Sie stellen die Abschluß-MOSFETs und Durchlaß-MOSFETs ein, abhängig von den Spannungspegeln an Vout und Vin.
Die MOSFETs 144, die im Zentrum von Fig. 11 zusammengruppiert sind, werden verwendet, um die Spannung Vout aller Anschlußplatten einzustellen. Die Funktion der MOSFETs 144 ist es, die Spannung Vout, deren zugeordnete Vin zuerst eine hohe Spannung aufnimmt, auf niedrigen Pegel und alle anderen Spannungen Vout auf hohen Pegel einzustellen, und diese Spannungen beizubehalten bis die erste Spannung Vin seinen hochpegeligen Zustand verliert. Mit anderen Worten: die erste, mit Strom versorgte Anschlußplatte der mit Strom zu versorgenden Anschlußplatten wird als Wurzelanschlußplatte etikettiert und behält diesen Zustand, bis diese Anschlußplatte nicht mehr mit Strom versorgt wird (abgetrennt wird).
Ein typisches Szenario, das die Funktionen der obigen Komponenten veranschaulicht, würde die anfängliche Stromversorgung eines Moduls sein (die erste Anschlußplatte nimmt Strom auf), ein Modul wird zu dem gegebenen Modul hinzugefügt (und liefert Strom an einen anderen Modul), und schließlich wird eine Schleife erkannt (ein mit Strom versorgter Modul wird angeschlossen). Zum Zweck des Verständnisses der Schaltkreisfunktionen kann es vorteilhaft sein, die Leitung hohen Stroms (die dick gezeichneten Leitungen) als auf Masse gelegt zu betrachten. Falls ein gegebener Modul an ein mit Strom versorgtes System über die obere Anschlußplatte angeschossen wird, dann werden Idd und Iss an den Konstantstrombus angeschlossen und richten eine "Masse"-Bezugsspannung ein.
Der Schalter 145 wird durch die Anwesenheit der angeschlossenen Anschlußplatte geöffnet. Vin der oberen Anschlußplatte nimmt ein Signal mit hohem Pegel auf (z.B. 10 V). 10 V wird durch die MOSFETs in 144 an Vout der unteren, der rechten und der linken Anschlußplatte weiterleitet.
Dementsprechend nimmt Vin der unteren, der rechten und der linken Anschlußplatte über die Schalter 146, 147 und 148 hohe Spannungen auf.
Im oberen Verbinder wird Vout einen niedrigen Pegel und Vin einen hohen Pegel haben, was den Abschluß-MOSFET 140 aus- und den Durchlaß-MOSFET 136 einschaltet.
Die anderen Abschluß-MOSFETs 141, 142, 143 sind eingeschaltet und die Durchlaß- MOSFETs 137, 138, 139 ausgeschaltet.
So fließt Strom von Idd der oberen Anschlußplatte durch die anderen drei Abschluß- MOSFETs und zu Iss der oberen Anschlußplatte, etwas visuell wie eine Sackgasse.
Falls an diesem Punkt ein neuer Modul an der rechten Verbindung angebracht wird, wird z.B. Vin des neuen Moduls die 10 V von Vout der rechten Anschlußplatte erkennen. So werden die Schaltpegelspannungen von Modul zu Modul weitergegeben. Der Schalter 146 wird durch die Anwesenheit des neuen Moduls geöffnet. Vin an der rechten Anschlußplatte wird auf niedrigen Pegel sinken, und so wird der Abschluß-MOSFET 141 ausschalten, und der Durchlaß-MOSFET 137 wird einschalten, und Strom wird durch den neuen Modul fließen.
Falls ein neuer Modul bereits mit Strom versorgt wird, dann wird Vin mit Öffnen des Schalters 146 nicht auf niedrigen Pegel sinken, da es durch Vout am anderen, mit Strom versorgten Modul auf hohem Pegel gehalten wird.
Es gibt viele Alternativen zu einem separaten Schaltbus hoher Spannung. Schaltspannungen können in jedem Modul individuell erzeugt werden. Dieses kann erreicht werden durch Abziehen von elektrischer Leistung von der Leitung hohen Stroms entweder mittels Photovoltaik, schaltender DC/DC-Wandler, selbstschwingender Transformatoren, u.s.w. Ein anderes Verfahren für das Etikettieren einer Wurzel (außer mit Spannungspegeln an Vout und Vin) ist die Verwendung von Licht als ein Etikett. Z.B. anstelle eines hohen Spannungspegels an Vout, der eine Zweigverbindung bezeichnet, kann eine eingeschaltete LED dasselbe mit einer photosensitiven Vorrichtung (wie etwa einer Photodiode, einem Phototransistor, einer CdS-Zelle, einer photovoltaische Zelle, u.s.w.) erreichen und das Etikett erkennen. Falls eine photovoltaische Zelle verwendet wird, dann kann die Energie sogar verwendet werden, um höhere Schaltpegelspannungen zu erzeugen.
Um die Robustheit der Schalter nach der vorliegenden Erfindung zu verbessern, sind Ausfallmodes zu erkennen, in denen ein Modul keine Verbindung herstellt, wenn es von einer Repositionierung verlangt wird, oder aufgrund eines Komponentenfehlers. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Robustheit der Stromversorgungsverbindungen ein einem geschalteten Schaltkreis 150 für ein Module verbessert durch die Verwendung eines Relais 154, wie in Fig. 12 gezeigt. Hier sind die Relais 154 normalerweise geschlossen, wobei die induktiven Spulen 152 verwendet werden, um den Schalter zu öffnen. Die Widerstände 158 haben denselben Widerstandswert wie die Relaisspulen. Idealerweise ist dieser Widerstand klein, um Energieverluste zu reduzieren. Die Menge von vier Schaltern auf dem innersten Quadrat 156 arbeiten passiv, so dass dann, wenn zwei Module zusammengebracht werden (wobei der Schalterschaltkreis des zweiten Moduls ähnlich dem veranschaulichten Schalter ist,) und Strom zwischen ihnen fließt, ein Teil dieses Stroms (etwa 1/3) durch das Relais fließen wird und den redundanten Parallelschalter öffnen wird. In der Wirkung funktioniert die Verbindung als ein Schließen-vor-Öffnen-Schalter, der nur dann öffnet, wenn Strom tatsächlich fließt. Wenn so ein Module angeschlossen wird und einen ausgefallenen Schalter oder irgendwo intern einen gebrochenen Draht hat, fließt kein Strom, das Relais 154 spricht nicht an und ein Schaltkreis für einen gesamten Modulzusammenbau bleibt erhalten. Falls der Schaltkreis irgendwie unterbrochen wird, nachdem er bereits eingerichtet ist, werden alle Relais in dem gesamten System geschlossen und der Stromversorgungspfad wird sich selbst wieder einrichten, wenn die Relais öffnen außer für den Modul, der ausgefallen ist. Alternativ kann im Wesentlichen dieselbe Funktionalität verwirklicht werden durch Vorsehen eines Mechanismus für die Erkennung des Stroms in dem Relaisspulenpfad. Z.B. können Hall-Effekt-Sensoren verwendet werden, um die Veränderungen in dem magnetischen Feld zu messen. Dieser Sensor würde einen Leistungs-MOSFET antreiben, einen Schalter zu öffnen. Optische Verfahren (Einschalten einer Lampe oder eines LED mit dem Strom und Erkennen des erzeugten Lichts) können ebenfalls für einige Anwendungen verwendet werden.
Wie zu verstehen ist, vergrößert die Verwendung der vorstehend beschriebenen Modulschalter für die lokale und automatische Steuerung des Versorgungsschleifenentfernens in dem Versorgungspfad allgemein die Robustheit modularer Systeme. Z.B. werden in einigen modularen Systemen die Module in einer in hohem Maß parallelen Struktur angeordnet, wie sie bei einem dreidimensionalen Stapel von Würfeln drei Würfel tief (27 Würfeln) existieren mag, wobei jede der sechs Flächen eine Stromanschlußplatte ist. Es gibt Hunderte unterschiedlicher Kombinationen, die potentiell verfügbar sind, um unterschiedliche, nicht schleifenförmige Stromversorgungs- und Datenpfade zu bilden. Falls irgendeines der Module bei Weitergeben von Stromversorgung oder Daten versagt, werden die anderen Module automatisch eine der anderen Verbindungen wiederherstellen. Für größere Robustheit ist es am besten, falls Spannungen mit Logikpegeln von lokalen Stromversorgungsleitungen erzeugt werden anstelle eines separaten Busses hoher Spannung und niedrigen Stroms. Falls die Stromversorgungsleitung innerhalb eines Moduls nicht funktioniert, würden seine Logikpegel nicht erzeugt werden, was das System erkennen würde und den Modul (in einem elektrischen Sinn) aus dem Schaltkreis entfernen würde. In dem Fall, in dem vielfache Stromversorgungsquellen verfügbar sind, kann sich das System anpassen, sie nach Bedarf zu verwenden.

Claims

1. Modularer elektronischer Aufbau, der enthält:

eine Vielzahl von Modulen, deren jeder Modul Anschlußplatten für die Stromversorgung hat, mit einer einzigen, dynamisch definierten Wurzelanschlußplatte für die Stromversorgung, und mindestens einer dynamisch definierten Zweiganschlußplatte für die Stromversorgung, und deren jeder Modul eine Stromverteilungssteuerung für die dynamische Definition der einzigen Wurzelanschlußplatte und der Zweiganschlußplatten für die Stromversorgung und für die Verteilung des Versorgungsstroms zwischen der Vielzahl von Modulen nur von den Zweiganschlußplatten zu den Wurzelanschlußplatten der Module, die über Anschlußplatten für die Stromversorgung angeschlossen sind, und

eine Konstantstromversorgungsquelle, die mit einem der Vielzahl von Modulen verbunden ist, um einen im Wesentlichen konstanten Strom an alle aus der Vielzahl von Modulen zu liefern, welche über Anschlußplatten für die Stromversorgung miteinander verbunden sind.

2. Modularer elektronischer Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Zweiganschlußplatten zurückgezogen werden können, um einen Kontakt von Zweiganschlußplatte zu Zweiganschlußplatte zu verhindern.

3. Modularer elektronischer Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Anschlußplatten für die Stromversorgung durch die Stromverteilungssteuerung direkt zwischen einer ersten Position, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module erlaubt, und einer zweiten Position, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module verhindert, bewegt werden können.

4. Modularer elektronischer Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Anschlußplatten für die Stromversorgung durch die Stromverteilungssteuerung zwischen einer ersten Schaltposition, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module erlaubt, und einer zweiten Schaltposition, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module verhindert, elektrisch geschaltet werden können.

5. Modularer elektronischer Aufbau nach Anspruch 1, der ferner einen Signalmodulator enthält, um den elektrischen Versorgungsstrom, der zu der Vielzalhl von Modulen übertragen wird; mit Datensignalen zu überlagern.

6. Modularer Roboteraufbau, der enthält:

eine Vielzahl von beweglichen Robotermodulen, deren jeder bewegliche Robotermodul Stellglieder hat, welche die extern über Anschlußplatten für die Stromversorgung mit Strom versorgt wird, und deren jeder bewegliche Robotermodul Anschlußplatten für die Stromversorgung hat, mit einer einzigen, dynamisch definierten Wurzelanschlußplatte für die Stromversorgung, und mindestens zwei dynamisch definierten Zweiganschlußplatten für die Stromversorgung, und deren jeder Modul eine Stromverteilungssteuerung für die dynamische Definition der einzigen Wurzelanschlußplatte und der Zweiganschlußplatten für die Stromversorgung und für die Verteilung des Versorgungsstroms zwischen der Vielzahl von Modulen nur von den Zweiganschlußplatten zu den Wurzelanschlußplatten der Module, die über Anschlußplatten für die Stromversorgung angeschlossen sind, und eine Konstantstromversorgungsquelle, die mit einem der Vielzahl von beweglichen Robotermodulen verbunden ist, um einen im Wesentlichen konstanten Strom an alle aus der Vielzahl von beweglichen Robotermodulen zu liefern, welche über Anschlußplatten für die Stromversorgung miteinander verbunden sind.

7. Modularer Roboteraufbau nach Anspruch 6, wobei die Anschlußplatten für die Stromversorgung jede eine positive bzw. eine negative Verbindung enthält.

8. Modularer Roboteraufbau nach Anspruch 6, wobei die Anschlußplatten für die Stromversorgung durch die Stromverteilungssteuerung direkt zwischen einer ersten Position, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module erlaubt, und einer zweiten Position, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module verhindert, bewegt werden können.

9. Modularer Roboteraufbau nach Anspruch 6, wobei die Anschlußplatten für die Stromversorgung durch die Stromverteilungssteuerung zwischen einer ersten Schaltposition, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module erlaubt, und einer zweiten Schaltposition, die einen elektrischen Kontakt mit Anschlußplatten für die Stromversorgung benachbarter Module verhindert, elektrisch geschaltet werden können.

10. Modularer Roboteraufbau nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl der Module in zweidimensionalen Feldern angeordnet werden kann.