【導(dǎo)讀】自重構(gòu)模塊化機器人由一種或幾種形態(tài)的模塊構(gòu)成，模塊之間可以通過相同的連接方式組合成不同的形態(tài)，并且可以通過連接裝置傳遞力、力矩以及交換信息。這種機器人可以像傳統(tǒng)的機器人一樣通過改變關(guān)節(jié)變量來調(diào)整姿態(tài)，做出不同的行為，例如抓取、操縱和移動，同時還可以對自己的形態(tài)做出很大程度上的改變，即通過改變模塊之間的連接方式實現(xiàn)了關(guān)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，從而更好地適應(yīng)不同的環(huán)境、行動或任務(wù)。
一、引言
自重構(gòu)模塊化機器人由一種或幾種形態(tài)的模塊構(gòu)成，模塊之間可以通過相同的連接方式組合成不同的形態(tài)，并且可以通過連接裝置傳遞力、力矩以及交換信息。這種機器人可以像傳統(tǒng)的機器人一樣通過改變關(guān)節(jié)變量來調(diào)整姿態(tài)，做出不同的行為，例如抓取、操縱和移動，同時還可以對自己的形態(tài)做出很大程度上的改變，即通過改變模塊之間的連接方式實現(xiàn)了關(guān)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，從而更好地適應(yīng)不同的環(huán)境、行動或任務(wù)。自重構(gòu)模塊化機器人一般分為三種類型：chain－type， lattice－type和mobile－type ［1］。SMORES－EP（圖1）是一種混合類型機器人，可以實現(xiàn)上述三種類型的模塊化機器人的所有運動形式。
每個SMORES－EP模塊有四個EP－Face連接器［2］ 和四個自由度，獨特的運動學(xué)結(jié)構(gòu)使得任意兩個模塊之間存在著17種連接方式，因此SMORES－EP模塊可以組成種類繁多的不同形態(tài)來適應(yīng)不同的環(huán)境和任務(wù)。比如在圖2a中，7個SMORES－EP模塊組成了一個可以快速移動的小車的形態(tài)，從而能夠快速地在地面上移動完成探索、運輸?shù)热蝿?wù)，但是當(dāng)遇到崎嶇不平的洼地時，這種小車形態(tài)并不利于運動，因此這些模塊可以變形成蛇的形態(tài)（圖2b），從而可以通過這類地形［3］。
圖 2：（a）7個SMORES－EP模塊可以形成一個可以快速移動的小車， 從而能夠快速移動；（b）同時可以變形成一條蛇來通過崎嶇的地形。
每個SMORES－EP模塊的左輪和右輪兩個自由度賦予了其在地面上以差分驅(qū)動小車的形式自由運動的能力，這個特性使得每個模塊可以獨立于其他模塊單獨運動。配合SMORES－EP的自重構(gòu)能力，多個模塊可以表現(xiàn)出一定的群體行為。類似于自然界中生物的群體智慧行為，比如一只小螞蟻的行為能力極其有限，但是一群螞蟻卻能夠表現(xiàn)出驚人的、極大超出每個個體能力極限的行為。
一個SMORES－EP模塊雖然有4個自由度，但是運動能力有限，能適應(yīng)的環(huán)境和任務(wù)場景也因此收到了很大限制，例如一個模塊是無法通過一道較寬的溝壑的，但是三個模塊可以組成一個蛇形從而通過這道溝壑。多個分散的模塊協(xié)同工作、自主拼裝成一個復(fù)雜形態(tài)的能力可以極大地增強這類模塊化機器人的適應(yīng)能力，使其完成任一單獨的模塊均無法完成的任務(wù)，這個運動規(guī)劃過程稱之為self－assembly planning。
二、模塊化機器人并行自組裝
1、機器人形態(tài)模型
一個模塊化機器人形態(tài)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）可以用一個無向圖G ＝（V，E）來表示，其中V是G的頂點的集合，代表著所有的模塊，E是G的所有邊的集合，每條邊包含著表示模塊間的連接方式的必要信息，這些信息取決于模塊化機器人的設(shè)計［4］。任意兩個頂點間存在唯一一條路徑的無向圖是樹，一個樹G＝（V，E）可以相對于某個頂點轉(zhuǎn)換成有根樹，我們選取圖的中心［5］為根節(jié)點模塊。我們在［4］中提出了一個線性時間復(fù)雜度的算法來找到一個樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊化機器人的中心。例如，圖3a是一個由三個 SMORES－EP組成的簡單形態(tài)，對應(yīng)的圖G＝（V，E）表示在圖3b 中，其中根模塊是2號模塊。
圖 3：（a）三個SMORES－EP組成的一個形態(tài)和（b）對應(yīng)的圖G＝（V，E）。
2、并行自組裝
我們這里提出一種可以并行的自組裝方法。已知的條件是每個模塊當(dāng)前的位置（圖4a）以及期望的最終形態(tài)（圖4b）。首先要解決的是最優(yōu)地找到每個模塊對應(yīng)到最終形態(tài)中的角色。所有SMORES－EP模塊都是一模一樣的，因此并沒有固定的角色分配方案，但是好的分配方案可以使組裝的過程更快、更容易。我們這里期望所有模塊需要運行的距離能夠最短。為了達到這個目的，首先將目標(biāo)形態(tài)展開到地面上、計算根模塊，基于根模塊，可以快速計算出其余每個模塊的2D位姿。基于現(xiàn)實中每個模塊當(dāng)前的位置，我們可以通過解決一個任務(wù)分配（task assignment）的問題來找到最優(yōu)的分配方案。
圖 4：（a）七個模塊的初始狀態(tài)；（b）期望變成的形態(tài)。
當(dāng)每個模塊都被最優(yōu)地分配了相應(yīng)的角色之后，自組裝便可以開始。從根模塊開始，處于同一深度的模塊可以同時開始組裝的過程，直到所有處于葉子節(jié)點的模塊完成最終的組裝動作。一個組裝動作可以簡單表示成一個元祖（mi， ci，mj，cj），代表著將模塊mi的連接器ci與模塊mj的連接器cj相連接。對于模塊化機器人，這個對接的過程往往費時費力，因此我們提出一種可靠的方法來保證對接的成功。就像把大象放進冰箱一樣，我們把對接的過程分成三步：第一步是導(dǎo)航，即控制SMORES－EP 模塊快速穩(wěn)定地到達一個接近目的地的地方（圖5a），在這個過程中需要對多個模塊進行路徑規(guī)劃； 第二步是調(diào)整姿態(tài)準(zhǔn)備對接（圖5b）； 第三步是靠近對應(yīng)模塊完成對接（圖5c）。詳細(xì)的控制器設(shè)計及其表現(xiàn)可以查看我們的論文。
圖 5：執(zhí)行組裝動作（3，T，4，B）。（a）控制 3 號模塊導(dǎo)航至一個接近目標(biāo)的 位置，（b）調(diào)整姿態(tài)準(zhǔn)備對接，（c）靠近 4 號模塊完成對接。
三、 實驗及結(jié)論
在論文和視頻中我們演示了三個實驗：
1．7個分散的模塊自組裝成一個帶有機械臂的小車從而可以接觸高臺（圖4b）；
2．9個分散的模塊自組裝成一個可以任意方向移動的小車（圖6a）；
3．7個分散的模塊自組裝成一個差分驅(qū)動四輪車從而可以推動重物（圖6b）；
圖 6：（a）9 個分散的模塊自組裝成一個可以任意方向移動的小車；（b）7 個分散的模塊自組裝成一個差分驅(qū)動四輪車從而可以推動重物。
在這三個實驗中我們展示了并行自組裝的全過程，驗證了我們的方法和對接控制的可靠性。在第三個實驗中，特殊的地方是需要helping module的幫助來完成一些組裝的動作。單個模塊依賴左右輪進行運動，因此在對接的時候無法直接控制這兩個連接器的角度，需要一個helping module輔助抬起模塊以完成連接器角度的調(diào)整。關(guān)于這個工作更多的內(nèi)容可以在ModLab網(wǎng)站的post查看，也可以在SMORES－EP項目主頁上查看更多關(guān)于SMORES－EP的研究工作。
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