【導讀】自重構模塊化機器人由一種或幾種形態(tài)的模塊構成，模塊之間可以通過(guò)相同的連接方式組合成不同的形態(tài)，并且可以通過(guò)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的機器人一樣通過(guò)改變關(guān)節變量來(lái)調整姿態(tài)，做出不同的行為，例如抓取、操縱和移動(dòng)，同時(shí)還可以對自己的形態(tài)做出很大程度上的改變，即通過(guò)改變模塊之間的連接方式實(shí)現了關(guān)節拓撲結構的改變，從而更好地適應不同的環(huán)境、行動(dòng)或任務(wù)。
一、引言
自重構模塊化機器人由一種或幾種形態(tài)的模塊構成，模塊之間可以通過(guò)相同的連接方式組合成不同的形態(tài)，并且可以通過(guò)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的機器人一樣通過(guò)改變關(guān)節變量來(lái)調整姿態(tài)，做出不同的行為，例如抓取、操縱和移動(dòng)，同時(shí)還可以對自己的形態(tài)做出很大程度上的改變，即通過(guò)改變模塊之間的連接方式實(shí)現了關(guān)節拓撲結構的改變，從而更好地適應不同的環(huán)境、行動(dòng)或任務(wù)。自重構模塊化機器人一般分為三種類(lèi)型：chain－type， lattice－type和mobile－type ［1］。SMORES－EP（圖1）是一種混合類(lèi)型機器人，可以實(shí)現上述三種類(lèi)型的模塊化機器人的所有運動(dòng)形式。
每個(gè)SMORES－EP模塊有四個(gè)EP－Face連接器［2］ 和四個(gè)自由度，獨特的運動(dòng)學(xué)結構使得任意兩個(gè)模塊之間存在著(zhù)17種連接方式，因此SMORES－EP模塊可以組成種類(lèi)繁多的不同形態(tài)來(lái)適應不同的環(huán)境和任務(wù)。比如在圖2a中，7個(gè)SMORES－EP模塊組成了一個(gè)可以快速移動(dòng)的小車(chē)的形態(tài)，從而能夠快速地在地面上移動(dòng)完成探索、運輸等任務(wù)，但是當遇到崎嶇不平的洼地時(shí)，這種小車(chē)形態(tài)并不利于運動(dòng)，因此這些模塊可以變形成蛇的形態(tài)（圖2b），從而可以通過(guò)這類(lèi)地形［3］。
圖 2：（a）7個(gè)SMORES－EP模塊可以形成一個(gè)可以快速移動(dòng)的小車(chē)， 從而能夠快速移動(dòng)；（b）同時(shí)可以變形成一條蛇來(lái)通過(guò)崎嶇的地形。
每個(gè)SMORES－EP模塊的左輪和右輪兩個(gè)自由度賦予了其在地面上以差分驅動(dòng)小車(chē)的形式自由運動(dòng)的能力，這個(gè)特性使得每個(gè)模塊可以獨立于其他模塊單獨運動(dòng)。配合SMORES－EP的自重構能力，多個(gè)模塊可以表現出一定的群體行為。類(lèi)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出驚人的、極大超出每個(gè)個(gè)體能力極限的行為。
一個(gè)SMORES－EP模塊雖然有4個(gè)自由度，但是運動(dòng)能力有限，能適應的環(huán)境和任務(wù)場(chǎng)景也因此收到了很大限制，例如一個(gè)模塊是無(wú)法通過(guò)一道較寬的溝壑的，但是三個(gè)模塊可以組成一個(gè)蛇形從而通過(guò)這道溝壑。多個(gè)分散的模塊協(xié)同工作、自主拼裝成一個(gè)復雜形態(tài)的能力可以極大地增強這類(lèi)模塊化機器人的適應能力，使其完成任一單獨的模塊均無(wú)法完成的任務(wù)，這個(gè)運動(dòng)規劃過(guò)程稱(chēng)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(gè)模塊化機器人形態(tài)（拓撲結構）可以用一個(gè)無(wú)向圖G ＝（V，E）來(lái)表示，其中V是G的頂點(diǎn)的集合，代表著(zhù)所有的模塊，E是G的所有邊的集合，每條邊包含著(zhù)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計［4］。任意兩個(gè)頂點(diǎn)間存在唯一一條路徑的無(wú)向圖是樹(shù)，一個(gè)樹(shù)G＝（V，E）可以相對于某個(gè)頂點(diǎn)轉換成有根樹(shù)，我們選取圖的中心［5］為根節點(diǎn)模塊。我們在［4］中提出了一個(gè)線(xiàn)性時(shí)間復雜度的算法來(lái)找到一個(gè)樹(shù)狀拓撲結構的模塊化機器人的中心。例如，圖3a是一個(gè)由三個(gè) SMORES－EP組成的簡(jiǎn)單形態(tài)，對應的圖G＝（V，E）表示在圖3b 中，其中根模塊是2號模塊。
圖 3：（a）三個(gè)SMORES－EP組成的一個(gè)形態(tài)和（b）對應的圖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(gè)模塊當前的位置（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(gè)模塊對應到最終形態(tài)中的角色。所有SMORES－EP模塊都是一模一樣的，因此并沒(méi)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(guò)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(gè)目的，首先將目標形態(tài)展開(kāi)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(gè)模塊的2D位姿?；诂F實(shí)中每個(gè)模塊當前的位置，我們可以通過(guò)解決一個(gè)任務(wù)分配（task assignment）的問(wèn)題來(lái)找到最優(yōu)的分配方案。
圖 4：（a）七個(gè)模塊的初始狀態(tài)；（b）期望變成的形態(tài)。
當每個(gè)模塊都被最優(yōu)地分配了相應的角色之后，自組裝便可以開(kāi)始。從根模塊開(kāi)始，處于同一深度的模塊可以同時(shí)開(kāi)始組裝的過(guò)程，直到所有處于葉子節點(diǎn)的模塊完成最終的組裝動(dòng)作。一個(gè)組裝動(dòng)作可以簡(jiǎn)單表示成一個(gè)元祖（mi， ci，mj，cj），代表著(zhù)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(gè)對接的過(guò)程往往費時(shí)費力，因此我們提出一種可靠的方法來(lái)保證對接的成功。就像把大象放進(jìn)冰箱一樣，我們把對接的過(guò)程分成三步：第一步是導航，即控制SMORES－EP 模塊快速穩定地到達一個(gè)接近目的地的地方（圖5a），在這個(gè)過(guò)程中需要對多個(gè)模塊進(jìn)行路徑規劃； 第二步是調整姿態(tài)準備對接（圖5b）； 第三步是靠近對應模塊完成對接（圖5c）。詳細的控制器設計及其表現可以查看我們的論文。
圖 5：執行組裝動(dòng)作（3，T，4，B）。（a）控制 3 號模塊導航至一個(gè)接近目標的 位置，（b）調整姿態(tài)準備對接，（c）靠近 4 號模塊完成對接。
三、 實(shí)驗及結論
在論文和視頻中我們演示了三個(gè)實(shí)驗：
1．7個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)帶有機械臂的小車(chē)從而可以接觸高臺（圖4b）；
2．9個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)可以任意方向移動(dòng)的小車(chē)（圖6a）；
3．7個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)差分驅動(dòng)四輪車(chē)從而可以推動(dòng)重物（圖6b）；
圖 6：（a）9 個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)可以任意方向移動(dòng)的小車(chē)；（b）7 個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)差分驅動(dòng)四輪車(chē)從而可以推動(dòng)重物。
在這三個(gè)實(shí)驗中我們展示了并行自組裝的全過(guò)程，驗證了我們的方法和對接控制的可靠性。在第三個(gè)實(shí)驗中，特殊的地方是需要helping module的幫助來(lái)完成一些組裝的動(dòng)作。單個(gè)模塊依賴(lài)左右輪進(jìn)行運動(dòng)，因此在對接的時(shí)候無(wú)法直接控制這兩個(gè)連接器的角度，需要一個(gè)helping module輔助抬起模塊以完成連接器角度的調整。關(guān)于這個(gè)工作更多的內容可以在ModLab網(wǎng)站的post查看，也可以在SMORES－EP項目主頁(yè)上查看更多關(guān)于SMORES－EP的研究工作。
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