可重构模块机器人引领高端制造

来源：海鹰资讯（hiwing_news），作者：刘志

随着全球化科技竞争日趋激烈，人工智能成为工业界未来必争领域，传统机器人也被赋予了新的发展路线，非柔性的机器人难以满足时下发展变化要求，因此可重构模块化机器人成为优选解决方案。可重构模块化机器人由一组具有相通接口的模块组成，可根据不同的任务组装成不同的构型。与传统的机器人相比，可重构模块化机器人对任务和环境的适应能力更强，更具有柔性。模块化具有简化设计制造和维护、缩短研制周期、降低成本等优点，大大增强了系统构建时的灵活性和弹性，已成为机器人系统研究的热点。

1模块化机器人发展现状

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

2可重构模块化机器人系统特征

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：

每个模块单元应是独立的和具有自封装的功能；

 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。

3分析总结

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。

模块化机器人:未来或将成为现实版的《阿凡达》'潘多拉烈马'

来源：IEEE Spectrum，作者：Evan Ackerman

在研究中，我们设计了各种各样的模块化机器人。由许多不同模块组成的机器人系统通常有一个共同点，那就是共用一个'大脑'，通过'大脑'来解释模块中的传感器数据，然后为每个模块发送指令。从本质上将，具备神经系统的个体机器人将信息传递给中央大脑，这和人类工作的方式是一致的。

这种系统的工作原理在理论上来说很完美，但理想的模块化机器人用例致力于使这些机器人更加分散，这样每个模块都可以成为神经系统或大脑控制的一部分，来配合其他机器人作为一个整体完成任务。这项最新的研究发表在《自然通讯》杂志上，该研究主要提出了一个'可合并的机器人神经系统'原理，以及一个完整的模块化机器人系统的框架。

我们展示的机器人，其身体和控制系统可以合并，从而形成一个全新的机器人，并保持完整的感觉运动控制。我们的控制模式可以使机器人展示其超越任何现有机器或任何生物有机体的属性:这些机器人可以通过一个集中控制器组成一个更大的整体，也可以通过其独立的控制器分散成多个个体，而且也可以通过移除或替换故障单元来进行自我修复。通过这些工作，未来我们将能够制造出可以自主改变大小、形状和功能的机器人。

在研究中使用的机器人是Swarmanoids，它们被称为'可合并神经系统(MNS)的机器人'。Swarmanoids由三种离散型机器人组成:脚部机器人可以抓住其他机器人，进行水平移动;手部机器人有机械臂和磁力勾爪，能够垂直移动;而眼部机器人可以飞，栖息在天花板上，通过眼部的摄像头来指挥手部和脚部机器人。

一个单独的MNS机器人可以由任意数量的Swarmanoid单位组成，且MNS机器人可以根据其工作指令进行分裂或合并。每个MNS机器人都有一个模块作为大脑，但大脑模块并不局限于那个特定的模块，它可以在机器人的物理结构中进行移动、分裂或组合。

其中一个模块充当大脑，其余的机器人模块构成了其他神经系统。距离大脑较远的模块收集传感器数据，并将数据传递给它们的上一级模块，这些模块通过整合和精炼将数据传递到链条中。大脑模块在整体内做出所有的高层决策，这些决策又被传回到单个的执行器模块。

这种结构使MNS机器人具有非凡的灵活性和弹性，也是大多数模块化机器人所不具备的，因此不用担心单个模块的损耗性，此外，也可以对模块进行改造，添加更多的配置。

为了了解更多细节，IEEE Spectrum采访了论文的第一作者Nithin Mathews。以下是亿欧编译整理。

IEEE Spectrum:什么是机器人神经系统?神经系统在传统机器人上是如何工作的?

Nithin Mathews:感觉运动系统将机器人的中央处理单元和它的传感器及制动器连接在一起，而这个感觉运动系统就相当于机器人的神经系统，在概念层面与高级生物的神经系统相似，都是有一个大脑来控制身体。而在当今的大多数机器人中，其神经系统结构在设计之初是设定好的，但在机器人的使用寿命期间始终保持静止。

IEEE Spectrum:具有可变神经系统的机器人有什么不同之处吗?又有什么优势呢?

Nithin Mathews:想象一下，这些机器人基于彼此的同意而进行物理接触时，何尝不是自己身体的延伸呢?你能看到它们所看到的，听到它们所听到的，并移动它们的四肢，整个过程就像自己在移动一样。'合并主体'的壮举不仅对人类来说是不可能的，而且对所有自然生物来说都是不可能的。但是这一概念在科幻小说中却并不新鲜。

最著名的例子可能当属2009年詹姆斯·卡梅隆的电影《阿凡达》。在这部电影里，潘多拉烈马用其突出的神经触角来与骑乘者进行交流。骑乘者可以通过神经触角来传递运动指令，同时潘多拉烈马的感觉信息，比如疼痛感，也会立即传递给骑手。简而言之，这就是我们在机器人世界中试图创造的东西。

这种机器人有很多优点，即使当机器人的物理结构发生变化时(如处理新的任务)，对MNS机器人的控制也不需要任何改变。一个MNS机器人还可以在其最初部署后的很长一段时间内，自动地向其对等机器人借用物理属性--类似于电影中纳美人借用了direhorse的运动能力一样。另一个非常有用的特性是，MNS机器人可以通过自我修复过程来检测和响应硬件故障。从理论上讲，只要有备用单元和足够的能量，MNS机器人就不容易出现有故障的软件或硬件组件。

IEEE Spectrum:你能描述一下当一个MNS机器人分离时，或者两个MNS机器人合并时，会发生哪些变化吗?

Nithin Mathews:当分离发生时，意味着一个现有的整体被分为多个独立的部分，这些分离的MNS机器人能瞬间创造新的大脑单元，成为具有神经系统且功能齐全的新机器人，从而来进行新的运作。

当两个MNS机器人合并时，两个大脑单元和决策主体需要集成到一个机器里。假设你与四个朋友携手走向一个移动目标，这将会是多么混乱的状况，因为四个主体做决策的时候需要事先协调。但MNS机器人能够在技术层面解决这个问题，这些MNS机器人能够完美地放弃对大脑的控制或在必要时收回控制权。

IEEE Spectrum:如何将可控制的神经系统应用于未来一代的实用机器人?它们的用途是什么呢?

Nithin Mathews:对于机器人来说，可控制的神经系统未来仍有很长的路要走。首先，机器人需要物理上相互配合的应用，它们可以应用于在人体内部运作的纳米机器人，或行星上运行的机器人。例如，一个先进的人形机器人在火星上运行，它的身体和感觉运行能够与它乘坐的火星车相协调。

IEEE Spectrum:接下来的工作方向是什么呢?

Nithin Mathews:我们的重点肯定是从二维平面移动到三维空间中。为了达到这个目的，我们可能需要考虑在不同的机器人之间建立物理连接的其他方式。在当前基础上，我们还将研究其他形式的运动，比如加入双足行走、爬行、攀爬或滚动等功能。