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现实超能陆战队!新型自重构机械人获IROS最佳机械人设计提名
2022-05-21 05:09
本文摘要:在影戏超能陆战队中,主角小宏设计了一款由成千上万的微磁单元组成的微磁机械人。每个带有磁性的微型单元都是独立的个体,它们通过磁力即可相互毗连,在人类的控制下随意排列组合,可以任意变换成桥梁、快速移动的门路等等三维空间上的结构,不受障碍物影响地去完成种种任务。 影戏中,反派卡拉汉教授在偷取这款微磁机械人后,能轻松的上天、入地,缔造一切可能。

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在影戏超能陆战队中,主角小宏设计了一款由成千上万的微磁单元组成的微磁机械人。每个带有磁性的微型单元都是独立的个体,它们通过磁力即可相互毗连,在人类的控制下随意排列组合,可以任意变换成桥梁、快速移动的门路等等三维空间上的结构,不受障碍物影响地去完成种种任务。

影戏中,反派卡拉汉教授在偷取这款微磁机械人后,能轻松的上天、入地,缔造一切可能。太平洋时间10月25日,机械人领域的顶级学术集会—— IEEE智能机械人与系统国际集会(IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS)正式召开。受疫情影响,本该在拉斯维加斯举行的 IROS 2020 改在线上举行,而且史无前例的通过线上免费向民众开放。在IROS 2020上,香港中文大学(深圳)机械人与人工智能实验室的题目为《FreeBOT: A Freeform Modular Self-reconfigurable Robot with Arbitrary Connection Point - Design and Implementation》的论文被提名为机械人机构设计最佳论文(Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design)。

有趣而具有挑战的MSRR模块化自重构机械人(Modular Self-Reconfigurable Robot, MSRR)是近年来的研究热点。MSRR系统由许多重复的模块单元组成,这些模块可以通过改变毗连关系重新改酿成差别的构型。近年来,海内外学者设计了许多有趣的MSRR,它们基本上可以分为三种类型:晶花样、链式和混淆式。只管这些MSRR接纳了差别的结构和差别的毗连方式,它们都有一些缺点:在现有的MSRR中,模块间的毗连要求精准对齐,很耗时且乐成率低。

一旦在崎岖的地形中,模块之间很难建设毗连。通过改变模块间的毗连关系,MSRR系统可以变换成差别的构型。

现有MSRR的毗连机构都位于模块的某一个面或某一个点上;再加上毗连机构的数量有限,这限制了系统组合构型的多样化,极大地限制了MSRR解决不确定任务的能力。因此,如何设计一个有效的、自由组合的MSRR模块仍然是一个挑战。巴克球带来灵感该如何突破MSRR的局限性呢?巴克球给了研发人员一些灵感。

巴克球本质上是一些磁性小球,在人的外界干预下,一堆巴克球可以自由地变化成种种形式。研发人员正是希望赋予多机械人系统这样的特性,让多机械人系统能够自主地、自由地形成种种形状,发生差别的功效,满足差别任务的需要。

新型模块化自重构机械人FreeBOT受巴克球的启发,论文提出了一个新型的模块化自重构机械人FreeBOT,它可以在其他机械人外貌上任意点自由毗连。FreeBOT主要由两部门组成:球形铁磁性外壳和内部磁铁。

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模块之间的毗连是无性的和即时的,因为内部磁铁可以自由地吸引其他FreeBOT的铁磁性球壳,而不需要与特定的毗连器精准对齐。这种毗连方式具有更少的物理约束,因此可以将FreeBOT系统扩展到更多的构型以满足更多的功效需求。

FreeBOT虽然只有两个电机,但可以完成多项任务:模块独立运动、毗连器治理和系统重构。FreeBOT可以在平面上独立移动,甚至可以爬上铁磁性的墙壁;一群FreeBOT可以穿越庞大的地形。

大量的实验测试讲明,FreeBOT系统具有实现自由组合机械人的庞大潜力。FreeBOT展示了一些有趣的运动能力。

一个FreeBOT可以在平地上独立的移动;甚至爬上铁磁性的斜坡;甚至爬上垂直的铁磁性墙壁。一群FreeBOT可以展现更有趣的协作运动。

一个FreeBOT可以与另外一个FreeBOT自由地毗连/分散;组合在一起后,一个FreeBOT可以在另外一个FreeBOT的外貌自由的运动。两个FreeBOT可以协作地完成超出个体能力的任务。潜力庞大,未来可期研发人员相信,影戏《超能陆战队》中具有自由组合特性的“微磁机械人”是模块化自重构机械人的终极目的,而FreeBOT是香港中文大学(深圳)机械人与人工智能实验室为了实现这个目的而走出的第一步。

未来,他们会基于FreeBOT开展更多协同计划算法的研究,以实现一个自由组合的FreeBOT系统。此外,研发人员将增加FreeBOT的数量,以充实展示FreeBOT在实现更多模块化自重构机械人应用方面的庞大潜力。期望不久的未来,FreeBOT能够实现影戏中的微磁机械人的震撼场景,实现真正的自由组合机械人。

关于作者本文第一作者为香港中文大学(深圳)在读博士生梁冠琪,其导师为林天麟教授。现在他的研究偏向包罗模块化自重构机械人和现场机械人。


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