收稿日期: 2004206230.
作者简介:徐 超(19652) ,男,副教授;北京,北京理工大学机电工程学院 (100081) . E2mail : xuchao1965 @sohu. com
可重构机器人研究的现状和展望
徐 超
(北京理工大学 机电工程学院 , 北京 100081)
摘要:介绍了可重构机器人的概念及分类方法,总结了可重构机器人的发展和目前国内外对可重构机器人进 行研究的现状,展望了可重构机器人研究的发展方向.
关 键 词:可重构机器人;研究;现状;发展
中图分类号: TP242 文献标识码: A 文章编号: 167124512 (2004) S120032203
The recent state and development of the research on reconf igurable robot
X u Chao
Abstract : This paper discusses t he concept , t he classif ying met hod , t he recent stat us and t he develop ment of t he research on reconfigurable robot . Some research topics on reconfigurable robot is analysed in t his pa2 per.
Key words : reconfigurable robot ; research ; stat us ; develop ment
Xu Chao Assoc. Prof . ; School of Mechat ronic , Beijng Instit ute of Technology , Beijng 100081 , China.
随着现代科学技术的发展 ,机器人技术也不 断提高 ,机器人的应用领域不断扩展 ,人们希望机 器人能更加灵活地适应各种工作环境 ,完成更为 复杂的任务. 传统机器人因其自身机械结构的限 制 ,很难适应工作环境和工作任务的变化. 假如因 工作环境和工作任务的变化而重新对机器人进行 开发往往投资巨大 ,开发周期很长. 另外有些工作 环境人们事先无法准确预知 ,如在地震救援中人 们无法准确地知道废墟下待救者的具体环境状 况 ,因而要求使用一种能根据新的工作环境和新 的工作任务要求来改变自身结构的机器人去完成 工作任务 ,解决这一任务的方法之一就是开发可 重构机器人系统. 可重构机器人 ( reconfigurable robot) 是由一些具有各种几何尺寸和功能特征的 可互换的机器人模块组成的机器人 ,可以适应不 同的工作需要. 正因为如此 ,目前可重构机器人的 研究越来越广泛地受到重视.
1 可重构机器人系统分类
随着机器人技术应用深度和广度的发展 ,机
器人功能和结构也呈现出多样性. 目前对于模块 化可重构机器人一般称为可重构机器人. 在此基 础上 ,能根据工作环境和任务自主变形的可重构 机器 人 称 为 自 重 构 机 器 人 ( self2reconfigurable robot) .
可重构机器人是一种能根据任务需要 ,重新 组合构型的机器人 ,它是在模块化机器人基础上 发展起来的. 可重构机器人就是利用一些不同尺 寸和性能的可互换的连杆和模块 ,根据工作环境 和任务装配成不同构型的机器人. 这种组合并不 是简单的机械装配 ,参与重构机器人的各模块本 身就是一种集通信 、控制 、驱动 、传动为一体的单 元 ,重构后的机器人将能适应新的工作环境和工 作任务 ,具有很好的柔性.
自重构机器人是有一系列相对独立的机械电 子模块有机连接而成的. 每一个模块都有连接 、开 脱及越过相邻模块的功能 ,每个模块允许动力和 信息输入并且可以通过该模块输入到其他相邻模 块 ,通过机器人自主改变各模块间的相对几何位 置 ,来改变机器人的构型. 根据各模块的功能和结 构的异同 , 通常把自重构机器人分为同构系统 第32卷 增刊 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) Vol. 32 Sup .
2004年 10月 J . Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Nature Science Edition) Oct . 2004
(homogeneity) 和异构系统 ( heterogeneity) . 同构 机器人系统中各模块的功能和构造相同 ,通过重 构 ,各模块在新的单元中扮演不同的角色. 异构机 器人系统中各模块的功能和结构各异.
同构机器人因模块在组成自重构机器人时所 起的作用不同和目标系统的拓扑结构形式不同 , 可以把自重构机器人分为链式连接系统和点阵晶 格系统.
链式连接系统的主要特点是模块串接成链式 或分支的树状结构 ;构成机器人的模块较少 ,各模 块可分离成单独动作的模块机器人 ;模块的运动 副同时也是机器人本身的关节 ;模块间相互有规 律的运动形成了机器人的步态 ;如果把模块简约 成关节点 ,将模块连接用连线表示其拓扑结构可 以用图论中的图来表达. 从图论的角度来看 ,链式 系统拓扑结构是一维或二维的树状结构. 由 Yim 等开发的 Polybot 机器人以及 Castano 和 Shen 等 开发的 CONRO 机器人都属于链式连接系统.
点阵晶格系统的主要特点是构成系统的每个 模块都处在网格位置上 ,模块所处网格位置不同 则系统的形状不同 ,单个机器人模块的意义并不 重要 ,必须由多个模块来满足系统目标的变化. 模 块运动副的作用是为了产生模块间的相对位置的 改变而实现新的目标构型 ;其拓扑结构是多维的 或三维的晶格状结构. 由于模块数量较大且构成 复杂 ,因而其拓扑结构也较复杂. 点阵晶格系统有 Chirikjion 等 人 提 出 的 六 边 形 平 面 模 块 系 统 ; Kotey 和 Rus 等提出的分子机器 人 和 结 晶机 器 人 ; Yoshida 等提出的 3D 晶格式机器人 ,Bojinor 等提出的 Proteo 变形机器人等.
异构系统首先是由日本名古屋大学 Fukuda 提出的 CEBO T 系统 ,它是一种分级构成的异构 系统. 异构系统最大的特点是构成系统的模块结 构或功能各不相同 ,因而造成工作任务分配非常 困难 ,相比较而言 ,同构系统则灵活的多.
2 可重构机器人国内外研究现状
国外 的 第 一 台 可 重 构 机 器 人 样 机 诞 生 于 1988 年 ,它是由美国卡内基・梅隆大学机器人研 究所研制的可重构模块化机械手系统 ( RMMS) . RMMS 不仅实现了机械结构的重构 ,而且从电子 硬件 、控制算法 、软件等方面实现了可重构 , 在 RMMS 的基础上 Khosla 等又做了进一步的研究 工作. 通过对机器人机械结构 、软件算法 、通信系 统等 方 面 的 改 进 , 于 1996 年 研 制 出 了 新 型
RMMS[ 1 ]. 1988 年 Fukuda 等从概念的角度提出
了动力可重构机器人系统 (DRRS) . DRRS 有许多 具有基本机械功能的智能“细胞”组成 ,每个“细 胞”能根据任务自动地与其他细胞分离 、组合 ,构 成机械手或移动机器人 ,给予系统能自修理[ 2 ]. 1990 年在日本名古屋大学 , Fukuda 等又研制出 细胞机器人系统 ( CEBO T) . CEBO T 是一种分布 式机器人系统 ,它根据环境的变化动态地重新配 置结构 ,从而达到最优结构. 其他学者还对这种体 系做了进一步的研究.
1994 年美国 Johns Hop kins 大 学的 Gregory 提出了变形机器人系统. 该系统虽然也是由许多 模块组成的 ,但是其变形是在组成系统的模块保 持连接后进行的 ,并且能够自重构[ 3 ]. 1994 年日 本的 Murate 等提出并研制出了一种由多个可重 构的装置组成的自动安装机械系统 ,它具有对环 境适应能力强 、容错的特点. 1999 年 ,Murate 使用 形状记忆合金研制出了自重构系统 ;1998 年美国 的 Kotay 等提出了由机器人分子组成的可自重构 机器人 ,这种机器人能自动地重构成各种最佳形 状 ,以适应不同环境. 1999 年 Doniela 和 Rus 等又 提出了一种由晶体结构“分子”组成的可自重构机 器人系统 ,晶体结构“分子”通过扩张和收缩 ,进行 相对于其他“分子”的运动[ 4 ].
美国加州大学的 CONRO 项目提出的分布控 制机理来控制自重组步态 ,为解决机器人的控制 和自重构模块之间适应性交流以及多模块之间的 协同 ,使有计算能力的个体模块能得到相邻模块 布局的局部信息 ,提出用一些触发信号 Hormones 来协调运动[ 5 ].
在应用上 ,机器人模块向小型化方向发展 ,在 某些领域小型机器人将会取代体积更大 、价格很 高的机器人. 美国麻省理工学院的机器人专家受 Rodeny 和 Brooks 工作的启示 发明了一种高尔夫 球大小的机器人. 该机器人可以按照类似蚂蚁一 样的方式搜寻食物 ,相互间通过简单的光传感器 进行联系 ,并集体做出决策. 在 Rodney 和 Brooks 提出的基于行为控制的算法中 ,每台机器人对本 地刺激做出反应. 在这里没有中心计划 ,没有主机 器人 ,机器人团队的能力表现为众多机器人模块 互相合作的结果. 如在常规情况下每个机器人模 块可以独立地完成任务 ,但遇到障碍时 ,他们可以 组成一支蛇形机器人 ,以便通过障碍[ 6 ]. 另外 ,各 模块功能也可以不相同 ,以任务驱动进行合理的 组合 ,以完成任务.
我国在可重构移动机器人方面也做了一些研
3 增刊 徐 超:可重构机器人研究的现状和展望 3
究. 在自组织变形机器人方面 ,我国的仿蛇 、仿鱼 机器人也取得了一定的成绩 ,但就研究水平来讲 我国对可重构机器人特别是自重构机器人的研究 还处于初级阶段.
3 可重构化机器人的主要研究方向
可重构模块化机器人系统是由各功能模块根 据工作环境和任务要求经快速装配而成 ,因此它 必须具备以下功能 :a. 方便地构成满足不同工作 构型要求的机器人 ,同时模块数量和类型应尽可 能少 ;b. 对控制软件的修改不能因工作任务的变 化而变得复杂 ;c. 重构后的机器人能立刻投入工 作.
因此构成机器人系统的模块本身必须具备以 下特性 :a. 每个模块单元应能独立地完成某一特 定的功能 ;b. 每一模块应具有独立的驱动系统 , 重量和惯性应尽量小 ,从而获得最佳的运动和动 作特性 ; c. 各模块具有良好的装配性和通信能 力 ,以利于各模块协调工作 ;d. 各模块应具有一 定的数据处理能力 ,一方面控制软件要有适应机 器人重构后的能力 ,同时还应有一定的信息容错 能力.
目前 ,模块化可重构机器人系统的研究得到 了广泛的重视 ,主要集中在以下几个方面 :a. 模 块所具有的功能和结构. 主要研究构成机器人各 模块的结构特点及其功能. 对于同构系统可重构 机器人主要研究模块间的自主连接及分离能力 ; 各模块的动力及信息输入与输出能力 ;模块关节 的运动能力等. 对于异构系统可重构机器人主要 研究因受目标结构的限定对各模块的功能如何划 分. b. 目标结构的描述与形成. 主要研究内容有 目标结构的描述与形成 、多目标结构间的转换以 及非目标结构的形成. 目前对于模块数量有限 、目 标结构明确的可重构模块化机器人的目标结构的 描述与形成已取得一些成果 ,但对于多目标机构 间的转换算法 、变形方式及模块间的变形次序和 根据不可预知的环境和工作来形成新的目标结构 相关的变形原理 、变形规则 、约束规则算法的研究 还没有取得重大进展. c. 运动学规律的研究. 目
前在二维空间对于模块化可重构机器人系统通常 不考虑重力及惯性力的影响 ,但在三维空间和变 形速度较快时则必须考虑重力及惯性力对系统的 影响. d. 信息的获取和处理. 包括各模块的自身 所需信息如何获取 ,重构后各模块的信息如何重 构特别是重构后发生相互“干涉”的信息如何处 理.
4 结束语
可重构机器人因其在工业 、科技 、军事等领域 的重要作用而广泛受到国内外的别是发达国家的 关注 ,可重构机器人的研究目前已经成为机器人 研究的一个重要方向 ,并已取得一些重要的成果.
但是目前要想在可重构机器人特别是在自重构机 器人领域取得重大突破 ,必须依赖于计算机技术 、 微机电技术 、通信技术 、人工智能技术等领域取得 重大成果 ;反之 ,可重构机器人技术的进步 ,也将 促使上述领域的发展. 同时 ,可重构机器人特别是 自重构机器人研究成果的推广应用将会带动其他 许多领域的技术进步.
参 考 文 献
[1 ] Paredis C J J , Benjam in Brown H , Khosla P K. A rapidly deployable manipulator system. Robotics and Autonomous Systems. 1997 , 21 : 289～304
[ 2 ] Fukuda. Dynamically Reconfigurable Robotic System.
Proceedings IEEE Conference on Robotics and Automa2 tion , 1988 , 3 : 1 581～1 586
[ 3 ] Gregory. Kinematics of a Metamorp hic Robotic System.
Proceedings IEEE conference on Robotics and Automa2 tion , 1994 , 449～455
[ 4 ] Daniela Rus. Self2reconfiguration Planning wit h Com2 pressible Unit Modules. Proceedings IEEE conference on Robotics and Automation , 1999 , 2 513～2 520 [ 5 ] Shen W M , Sakemi B , Will P. Hormone2inspired adap2
tivecommunication and distributed control for CONRO self2reconfiguoable robots. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 2002 , 18 (5) : 700～712 [ 6 ] Robot Grabowski , L uis E , Navarro S , et al. An army
of small robots. Scientific American , 2003 ( 11) : 42～ 47
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