模塊化自主變形機(jī)器人設(shè)計探索

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隨著科技革命和產(chǎn)業(yè)革命、信息化與工業(yè)化的不斷融合，社會創(chuàng)新的不斷深入，創(chuàng)新驅(qū)動成為中國乃至世界的發(fā)展趨勢，機(jī)器人設(shè)計逐漸成為了引領(lǐng)智能創(chuàng)新設(shè)計制造發(fā)展的方向之一。以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為主力（涵括武漢理工大學(xué)、四川美術(shù)學(xué)院、景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)等學(xué)術(shù)力量）的機(jī)器人設(shè)計團(tuán)隊，以國家發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求及社會問題為導(dǎo)向進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，自主研發(fā)了模塊化自主變形機(jī)器人，獲得了2018年中國優(yōu)秀工業(yè)設(shè)計獎金獎。

1.設(shè)計背景

一項設(shè)計的發(fā)展與深入要根植于時代和社會，模塊化自主變形機(jī)器人在設(shè)計伊始就針對當(dāng)前的政策、社會以及科研等方面的背景進(jìn)行了調(diào)研與論證。

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“科技是國家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂?！?“國際上有輿論認(rèn)為，機(jī)器人是‘制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。”3 2016年以來，隨著國務(wù)院“十三五”規(guī)劃綱要的發(fā)布，對于大力發(fā)展機(jī)器人的國家政策不斷出臺，機(jī)器人的發(fā)展迎來了關(guān)鍵時期。

隨著人工智能科技的深入，我國智能機(jī)器人在國防、制造、醫(yī)療、服務(wù)等方面都有了廣泛的應(yīng)用，但在機(jī)器人設(shè)計創(chuàng)新方面的發(fā)展卻并不樂觀。在面對我國“工業(yè)2025”、“一帶一路”，特別是如搶險救災(zāi)、空間探索、海洋開發(fā)、文化考古等重大需求時，智能機(jī)器人的設(shè)計與制造，亟待發(fā)展。

模塊化自主變形機(jī)器人概念誕生于20世紀(jì)90年代，為從根本上解決機(jī)器人如何改變形態(tài)、適應(yīng)環(huán)境提供了可能性。模塊化機(jī)器人通常由結(jié)構(gòu)相似的基本模塊組成，模塊單元集合了探測、通訊、感應(yīng)、運(yùn)動等相關(guān)功能，一定數(shù)量的模塊群可以組成不同形態(tài)和功能的機(jī)器人，通過改變模塊的數(shù)量和連接方式就能夠改變機(jī)器人的整體構(gòu)型。例如可以從一張桌子變成椅子等等，這種新概念機(jī)器人從根本上為實現(xiàn)“構(gòu)型重建、一機(jī)多用”提供了可能性。

2.靈感與理念

模塊化自主變形機(jī)器人設(shè)計從自然界中獲取靈感，從生命自組織演化與發(fā)展進(jìn)化的角度看待自重構(gòu)機(jī)器人形態(tài)與功能的形成，利用仿生學(xué)原理，以“感知一變形一運(yùn)動一行為”為主線，探索機(jī)器人自行完善結(jié)構(gòu)、發(fā)展智能、適應(yīng)環(huán)境的理論與方法。

模塊化自主變形機(jī)器人的核心理念是通過結(jié)構(gòu)重組、形態(tài)重塑、功能再生實現(xiàn)傳統(tǒng)的固定構(gòu)型機(jī)器人所無法達(dá)到的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，為從根本上提高未來機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力、任務(wù)執(zhí)行能力提供了全新的設(shè)計思路與構(gòu)想。本設(shè)計嘗試從生命自組織演化與發(fā)展進(jìn)化的角度看待模塊化自主變形機(jī)器人形態(tài)與功能的形成，圍繞分布控制、信息感知、機(jī)器人自組織、自重構(gòu)、自適應(yīng)等科學(xué)問題，以人機(jī)融合的交互設(shè)計原則、可持續(xù)設(shè)計理念為支撐，從“人-機(jī)-環(huán)境”的整體角度出發(fā)，開展模塊化機(jī)器人環(huán)境感知、形態(tài)重構(gòu)、協(xié)調(diào)運(yùn)動、自主行為等方面的設(shè)計探索，并配套建立了面向復(fù)雜環(huán)境的機(jī)器人虛擬仿真與實驗平臺，為模塊化自主變形機(jī)器人的發(fā)展提供了重要的理論與實踐參考。

3.設(shè)計探索

在國家重大戰(zhàn)略需求目標(biāo)下，結(jié)合機(jī)器人相關(guān)前沿技術(shù)，我們希望機(jī)器人在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和極端工作條件下，本體能夠千變?nèi)f化，自適應(yīng)不同場景，這些顛覆性的需求顯然是傳統(tǒng)單一固定構(gòu)型機(jī)器人難以實現(xiàn)的。 具體來說，在面對自然災(zāi)害、核電站維護(hù)、外太空等復(fù)雜、苛刻環(huán)境時，人類不可能與機(jī)器人共處同一環(huán)境下，這就要求機(jī)器人自身能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境，并能夠脫離人工遠(yuǎn)程操控，進(jìn)行自主思考、決策、變形甚至執(zhí)行任務(wù)。同時，由于環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)測性，機(jī)器人在執(zhí)行核心任務(wù)的過程中會面臨一系列多變的子任務(wù)。如：在面對地震等自然災(zāi)害，急需探測廢墟中的生命體征，提供準(zhǔn)確傷者位置、健康狀況以及廢墟內(nèi)部環(huán)境等信息，以便救援力量實施精確的援救以及治療等措施的時候。原有的做法只能是由救援人員在廢墟表層進(jìn)行探測，并逐層破除障礙物，逐層深入探尋生命體征。這樣的方法無疑使用了很長的搜索時間，無法在黃金救援期內(nèi)將受困于廢墟深層的人營救出來，降低了地震救援的效率?；谶@樣的情景，傳統(tǒng)機(jī)器人雖然可以延展人類的活動空間或提升人類處理復(fù)雜任務(wù)的能力，但是傳統(tǒng)機(jī)器人并不能對地震救援這一類綜合型任務(wù)給予全面支持。某一類型的傳統(tǒng)機(jī)器人可以進(jìn)行表面探測，但無法深入廢墟中進(jìn)行全面探測;或者一些傳統(tǒng)機(jī)器人具備挖掘和移障功能，但卻無法進(jìn)行探測和救援。

基于這些現(xiàn)狀，模塊化設(shè)計就成為了解決這一問題的可靠方法。模塊化機(jī)器人由一定數(shù)量的獨(dú)立模塊組成，通過模塊與模塊之間不同連接，構(gòu)成了整體的機(jī)器人。本次設(shè)計利用仿生學(xué)原理，嘗試從動植物生命體的組織、進(jìn)化、發(fā)展等角度出發(fā)，解決模塊化自主變形機(jī)器人個體形態(tài)及其整體鏈接方式等問題。同時，以晶體結(jié)構(gòu)為靈感，嘗試了以晶體結(jié)構(gòu)為原型的模塊自組織方式，設(shè)計出了有目標(biāo)構(gòu)型的重構(gòu)。最終設(shè)計成型的模塊化機(jī)器人可以伸縮變形成為蟲形機(jī)器人擠過狹窄洞口;可以變?yōu)楂F形機(jī)器人攀爬陡坡;可以變?yōu)樯咝螜C(jī)器人盤附于欄桿上執(zhí)行任務(wù)等等。在這樣的設(shè)計思想下，機(jī)器人就可以針對不同任務(wù)做出不同造型，實現(xiàn)一機(jī)多用，綜合處理任務(wù)等目標(biāo)。

不僅如此，結(jié)合人工智能科技，將模塊化機(jī)器人賦予自主思考、自主探索、自主應(yīng)對問題等能力后，模塊化機(jī)器人便擁有了智慧、智能的特征。同時，本設(shè)計從生物大腦神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)育的科學(xué)原理中得到啟發(fā)，借鑒自然界‘適者生存的進(jìn)化過程，利用單個機(jī)器人之間的局部網(wǎng)絡(luò)溝通能力，解決了模塊自主變形機(jī)器人需要依靠上位機(jī)核心控制的問題，實現(xiàn)了分布式控制以及模塊的“舍棄一再生”設(shè)計。

（1）單體模塊

模塊化自主變形機(jī)器人由多個獨(dú)立模塊組合而成，在目前國內(nèi)外的相關(guān)研究和實踐中，多數(shù)研究采用相同結(jié)構(gòu)的模塊單元。這樣由具有完全運(yùn)動能力的模塊組成的機(jī)器人雖然在系統(tǒng)控制以及運(yùn)算難度上有所降低，但是這樣的構(gòu)型方式?jīng)Q定了每個模塊都必須具備同等且獨(dú)立的運(yùn)動能力和其他附屬功能，這無疑加大了模塊的設(shè)計、制造難度?；谶@樣的前提和思路，在本次設(shè)計實踐中，我們綜合了構(gòu)型設(shè)計和運(yùn)算設(shè)計，研制出了既具有較高連接度和運(yùn)動能力，又具備較低重構(gòu)難度的獨(dú)立單元——UBot。

UBot為一組具有雙軸運(yùn)動能力的單元模塊。它由主動模塊和從動模塊兩種模塊構(gòu)成，單獨(dú)的某一模塊不具備運(yùn)動能力，但是主、從模塊相互連接后便具有了完全的運(yùn)動能力。在外形與構(gòu)型設(shè)計上，UBot利用了模塊化設(shè)計思想，主、從模塊具有基本相同的外觀，可以實現(xiàn)模塊與模塊之間的無縫鏈接。同時，在UBot內(nèi)部還集成了方位識別、無線通訊、環(huán)境感知等功能模塊，實現(xiàn)了模塊化自主變形機(jī)器人的相應(yīng)功能。不僅如此，為了保證模塊與模塊間的可靠鏈接，UBot還采用了磁性引導(dǎo)對中、主被動結(jié)合的鉤爪式連接設(shè)計，這很大程度上提高了模塊化自主變形機(jī)器人在運(yùn)動和重構(gòu)過程中的效率和可靠性。

（2）整體模塊

模塊化自主變形機(jī)器人可能由成百上干個單元組成，如此大量的個體，如果由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制，計算量和通訊量會隨著模塊數(shù)量成指數(shù)增長，而且一旦與主控失去聯(lián)系，所有單元就會陷入癱瘓。這樣情況下，我們需要探索一種新的途徑，就是分布式控制，利用每個單元的有限計算能力和局部通訊能力，實現(xiàn)整體的自組織、自協(xié)調(diào)，從根本上解決依賴上位機(jī)大腦的問題。

通過模塊之間的局部通信運(yùn)算，模塊化自主變形機(jī)器人具備了自主變形、自主適應(yīng)等功能。大量由單個模塊結(jié)合所組成的機(jī)器人整體構(gòu)型，借鑒了生物組織分化生長過程中普遍存在的分形規(guī)律，形成了模塊化機(jī)器人針對不同環(huán)境進(jìn)行不同運(yùn)動的特征。

（3）平臺建設(shè)

模塊化自主變形機(jī)器人不同于傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，它的形態(tài)干變?nèi)f化，我們沒辦法針對每種形態(tài)都預(yù)先制定相應(yīng)的控制方案。這就要求機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境的改變，自主決策，自主地產(chǎn)生適用的控制規(guī)律，從而解決機(jī)器人功能進(jìn)化問題。

針對目前存在的困難，借助于多核集群的大規(guī)模并行計算能力，建立了模塊化自主變形機(jī)器人的虛擬仿真平臺，該仿真平臺集成了動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、多種進(jìn)化算法及三維顯示功能，可通過仿真平臺隨意構(gòu)造不同構(gòu)型的機(jī)器人，并進(jìn)行大規(guī)模的智能進(jìn)化運(yùn)算，從而獲得機(jī)器人多種多樣的運(yùn)動步態(tài)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最早開展模塊化變形機(jī)器人設(shè)計研究的單位之一，到目前已成功開發(fā)了4代不同結(jié)構(gòu)與功能的機(jī)器人模塊單元及平臺，在運(yùn)動進(jìn)化、變形規(guī)劃、協(xié)調(diào)運(yùn)動等理論研究方面取得突破：發(fā)表SCl檢索論文30余篇，獲得最佳論文獎2項，申報有國家發(fā)明專利16項，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人研究連續(xù)4次獲得國家自然科學(xué)基金資助，2017獲得國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目支持。這些都是團(tuán)隊設(shè)計與研究模塊化自主變形機(jī)器人平臺的重要支撐。

隨著智能科技變革的逐漸深入，電子學(xué)、微型機(jī)電系統(tǒng)及微型傳感器技術(shù)的發(fā)展，處理器單元及傳感、驅(qū)動技術(shù)的不斷完善，模塊化自主變形機(jī)器人的構(gòu)成模塊將越來越小，功能也會越來越強(qiáng)大，自主性也將不斷提高。模塊化自主變形機(jī)器人可以變?yōu)橄x形姿態(tài)通過狹窄洞口、可以變?yōu)槿诵握玖⑻綔y洞穴頂部巖石構(gòu)成、可以變?yōu)楂F形通過崎嶇路面、可以變?yōu)樯咝伪P繞于欄桿上探測目標(biāo)等等。

模塊化自主變形機(jī)器人未來將應(yīng)用于空間操作、深海探測、登月探索、核電站維護(hù)、地震救援、反恐偵查等領(lǐng)域。在不遠(yuǎn)的將來，模塊化自主變形機(jī)器人將能夠具備更強(qiáng)大的運(yùn)動能力，適應(yīng)更加復(fù)雜多變的環(huán)境，自主完成更艱巨的任務(wù)，為我國重大戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。

注釋

1 作者簡介：毛昕，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)博士生在讀，晗爾濱工業(yè)大學(xué)講師：陳汗青教授，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)等校博士生導(dǎo)師、哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)設(shè)計學(xué)首席學(xué)術(shù)顧問;王愛紅教授，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)博士生導(dǎo)師;朱延河教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室副主任。

2 習(xí)近平在中國科學(xué)院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會上的講話[OL].http：//opinionpeople.com.e n/n/2014/0610/c1003-25128050.html，2014.6.10

3 同上