可重构模块机器人引领高端制造

本文由海鹰资讯(ID:hiwing_news)授权转载，作者： 刘志

由于机器人先天的优势，越来越多地应用在复杂结构环境下，但是在这种环境下很难事先确定机器人的作业任务，其工作环境也存在不可预料的情况，而传统机器人因适应环境和任务变化的能力较差而不能胜任这种要求。为提高机器人的环境适应能力，一种新型机器人应运而生，这种可以根据不同的任务或不同的工作环境改变自身构型的机器人称之为可重构模块化机器人(Reconfigurable modular robot system， RMMS)。

国外对可重构机器人系统已经进行了大量的研究，早在1972年日本东京大学Hirose教授首先设计了第一个模块化蛇形机器人ACM-I，但ACM-I 本身不具备自重构的特点。目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机器人系统主要有两类：一类是动态可重构机器人系统，另一类是静态可重构机器人系统。按照机器人形态改变方式可分为链式机器人、晶格式机器人、移动机器人及混合式机器人等类型。

图 1 链式机器人

上图是典型链式机器人的代表，①卡内基梅隆大学正在开发的一款机器人已经进化成为一只多脚模块化机械蛇，能够越过崎岖不平的地表环境。②CKbot 是宾夕法尼亚大学研制的模块化机器人，该机器人模块通过CAN 总线通讯，采用分布式控制方式，并配有红外收发器。CKbot 具有较强的构型识别、自组装、容错等能力。③在2016年底，MIT打造出了一个移动机器人平台，通过模块化的设计形式，可以根据不同的需要将这些机器人模块组装成不同的造型，这种模块化方法组建的机器人被称为ChainFORM。该机器人单元模块单元上都集成了传感器、触摸检测、电机驱动器和一个低分辨率的显示器，换句话来说，每个ChainFORM 单元模块都是一个小型机器人，它们之间可以相互组合成不同的形状，还能随意扭曲和以任何角度弯曲。④瑞士科学家创造出了一种完全由真空驱动的软壳机器人，它可以通过吸进和排除空气，实现各种不同任务，比如爬垂直的墙面和抓取物体等。为了能够让这种机器人移动起来，内部的空气必须要从各个部分中被吸走。受到人体肌肉收缩的启发，当它真空的特性被启动，单个软性部分的组件就会被激活。

晶格式模块化机器人在三维空间内具有规则分布，通过改变模块在重组位置来实现其功能属性。其中麻省理工学院的Miche机器人就是一种可任意变形的三维阵列结构机器人，每个模块之间可相互通讯和连接，并通过红外传感器来检测其他模块是否存在。

移动式模块化机器人的每个模块均是一个能够独立运动的机器人，模块具有一定的自主性，一般通过无线通讯实现构型的重构及运动控制。2017年9月12日英国《自然·通讯》杂志发表了一项该工程学最新突破：欧洲科学家展示了一种可以自行重配的模块化机器人，它们能够合并、拆分，甚至自我修复，同时保持完整的感觉运动控制力。这种设计理念为自主更改大小、形状和功能的机器人设计提供可能。比利时布鲁塞尔自由大学研究人员设计了能够调整自身形态的模块化机器人：其通过拆分与合并，能形成全新的独立机器人实体，并根据任务或环境自主选择适当的形状和大小。它们的机器神经系统还可以在拆分、合并的同时，保持感觉运动控制力。

在新系统中，机器人是由一个“大脑”控制的不同单位组成的，就像我们身体的神经系统一样。这个“大脑”使用Wi-Fi，收集来自其他机器人的数据，并在它们接触时控制它们。这些机器人甚至能够移除或更换障碍部件，包括出现功能障碍的脑单元，从而实现自我修复。它们的潜在功能包括探测、升举和移动物体。每一个单元机器人都被Marco Dorigo团队赋予独立的CPU、传感器、车轮等，它们可以自主移动行走。其结构如:底部有轮子和“treels”(轨道状的轮子)。底部上一层是一个配有小夹子的环状零件，它能旋转并展开以固定在另一个机器人上，磁铁模块的夹子用于拾取附近的物体。在它上面安置的是一个旋转扫描仪。最顶层的部分是计算机和传感器封装，其中包括:Wi-Fi、360度摄像头、量程传感器和识别信标 。

图2 重配模块化机器人系统

可重构模块化机器人系统是由一套具有尺寸和性能特征相同或不同的模块组成的，通过这些模块能快速装配出最适用于完成给定任务的机器人。因此可重构模块化机器人系统应具有以下功能：

 可重构机器人应很方便地拆散和装配各种模块，为满足特定的工作要求组装机器人；

 重构的机器人组合使用的模块单元和类型应尽可能地少；

 可重构机器人系统和独立单元的控制软件，尽量减少复杂的操作；

 装配的重构模块化机器人应能即插即用，及时执行实际任务。

可重构模块化机器人系统设计的主要内容是模块的划分和模块的功能设计。模块的划分既要考虑可重构模块化机器人的应用范围、工件特点和性能，同时模块本身也要符合以下几条基本原则：

 每个模块单元应是可快速连接到任意其它类型的模块单元；

 每个模块单元应应具备通信功能和数据处理能力；

 每个模块单元在运动学和动力学上应具有独立性。

可重构模块化机器人具有很强的适应不同任务和环境的能力，同时这种灵活性和弹性对模块化机器人的实际应用提出了新的挑战。模块化机器人未来必将引领高端制造业的发展，具备以下诸多优势。

 可重构机器人成本优势显著，传统的机器人难以进行多类任务及时切换，通用性差、功能受限、维护复杂。通过模块化设计，装配上功能单元移植组合高效便捷，故障模块维修更换费效比低。

 可重构机器人实现功能属性跃升，在制造装备和智能产品领域，多元化功能需求日益迫切。通过模块单元功能化分工设计，可以实现多维度的创新制造，自由度及功能作业目标可以通过模块叠加扩展。

 可重构机器人推动人工智能自主协调，功能性模块单元，即能独立运行，又可实现协同自主。随着机器学习能力不断提升，大数据被工业界广泛引用，人机协同、机机协同将成为重要发展趋势。未来在航天、航空等国防工业领域智能重构机器人必将耀眼瞩目。

“远望智库”聚焦前沿科技领域，着眼科技未来发展，围绕军民融合、科技创新、管理创新、科技安全、知识产权等主题，开展情报挖掘、发展战略研究、规划论证、评估评价、项目筛选，以及成果转化等工作，为管理决策、产业规划、企业发展、机构投资提供情报、咨询、培训等服务，为推动国家创新驱动发展和军民融合深度发展提供智力支撑。