在自然環(huán)境中，群體昆蟲（如蜜蜂、螞蟻、白蟻等）、魚類和鳥類等動物可以通過合作來完成生物個(gè)體難以或不可能完成的任務(wù)。受到這些集群行為的啟發(fā)，許多研究人員研究了自組裝或可重構(gòu)的模塊化群機(jī)器人，然而，由于輪式/履帶式機(jī)器人難以克服一些足式機(jī)器人能夠處理的復(fù)雜地形。

近日，美國圣母大學(xué)聯(lián)合佐治亞理工學(xué)院研究出一種即可單體運(yùn)動，又可以組裝成多體足式機(jī)器集群系統(tǒng)。相關(guān)研究發(fā)表于《科學(xué)·機(jī)器人》期刊，題目為《共同完成具有挑戰(zhàn)性動力學(xué)任務(wù)的可自主組裝多足機(jī)器人群》。

無尾部機(jī)構(gòu)的機(jī)器人運(yùn)動

研究人員在這項(xiàng)研究當(dāng)中提出了一種四足驅(qū)動的單體機(jī)器人，內(nèi)置傳感、驅(qū)動和控制功能，可以進(jìn)行自主移動，同時(shí)這種單體機(jī)器人能夠組合成多體機(jī)器人。為了提高單個(gè)機(jī)器人在復(fù)雜地形下的運(yùn)動性能，研究人員在為這種機(jī)器人設(shè)計(jì)了柔性驅(qū)動足和尾部機(jī)構(gòu)。

當(dāng)執(zhí)行相對簡單的任務(wù)，如在平坦地面上運(yùn)輸物體，使用單體機(jī)器人可以體現(xiàn)出成本優(yōu)勢。而當(dāng)需要在復(fù)雜環(huán)境下越障和運(yùn)輸時(shí)，使用多體機(jī)器人更具性能優(yōu)勢。

單體機(jī)器人和多體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者在這項(xiàng)研究中提出的四足機(jī)器人的靈感來自之前的研究，每個(gè)單體機(jī)器人分為兩段，每段都有一對驅(qū)動足，兩段結(jié)構(gòu)分別與伺服電機(jī)相連。

在本項(xiàng)研究里，單體機(jī)器人和多體機(jī)器人均使用對角線步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動，而多體機(jī)器人則是由單體機(jī)器人自行組裝起來的。

單體機(jī)器人通過磁性機(jī)構(gòu)組裝成多體機(jī)器人

為了提高穩(wěn)定性，研究人員設(shè)計(jì)了一種尾部機(jī)構(gòu)。尾部機(jī)構(gòu)提供了額外的支撐點(diǎn)，可以消除機(jī)器人不必要的轉(zhuǎn)彎和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。研究人員分別對有無尾部機(jī)構(gòu)的機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)使用尾部機(jī)構(gòu)時(shí)，機(jī)器人在每個(gè)周期下行走的位移大于無尾部機(jī)構(gòu)時(shí)的位移。

安裝了尾部機(jī)構(gòu)的機(jī)器人運(yùn)動

研究人員所提出的機(jī)器人：（A）單體四足機(jī)器人;（B）由單體組裝起來的多體機(jī)器人;（C）多體機(jī)器人爬樓示意;（D）多體機(jī)器人越障示意;（E）在前后兩個(gè)機(jī)器人運(yùn)送斷足機(jī)器人;（F）多個(gè)單體四足機(jī)器人組裝成多體機(jī)器人

研究人員表示，傳統(tǒng)上大多數(shù)足式機(jī)器人使用位置控制或扭矩控制來實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地形上的驅(qū)動，這需要使用多個(gè)傳感器。然而，由于現(xiàn)實(shí)情況存在干擾等復(fù)雜情況，無法獲得無準(zhǔn)確的反饋。為了實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的驅(qū)動，需要額外的設(shè)計(jì)。

尾部機(jī)構(gòu)的安裝對機(jī)器人運(yùn)動影響：（A）驅(qū)動足運(yùn)動時(shí)序;（B）無尾部機(jī)構(gòu)時(shí)的重心軌跡;（C）有尾部機(jī)構(gòu)時(shí)的重心軌跡;（D）在不同的地形上機(jī)器人的運(yùn)動軌跡

受仿生動物啟發(fā)，研究人員通過改造驅(qū)動足來提高機(jī)器人對復(fù)雜地形的適應(yīng)性。這種柔性改造驅(qū)動足的優(yōu)勢在于能夠在運(yùn)動的時(shí)候保持一定的扭矩，其靈活性可以使得驅(qū)動足與地面的接觸區(qū)域分布得更加有效，不會干擾步態(tài)的前提下提供強(qiáng)大的越障能力。

四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成：（A）單體四足機(jī)器人CAD模型;（B）磁性連接機(jī)構(gòu);（C）帶復(fù)位彈簧的柔性足的工作原理;（D）尾部機(jī)構(gòu)

單體和多體機(jī)器人的越障，爬樓以及崎嶇地形上的運(yùn)動研究

研究人員研究了單個(gè)和多體的四足機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動性能，包括跨越溝渠、爬樓梯和穿越復(fù)雜地形。

由于機(jī)器人的重心位于雙足之間，所以單體機(jī)器人卡住時(shí)，前足落人間隙，只能用后足旋轉(zhuǎn)，而機(jī)器人的由于向前傾斜而無法恢復(fù)姿勢。但將機(jī)器人連在一起，組裝成多體機(jī)器人，可以將重心后移，合適的重量分布得以跨越溝渠。

研究人員首先測試了單個(gè)機(jī)器人在不同高度樓梯的攀爬性能。單個(gè)機(jī)器人可以成功爬上1.25厘米高的樓梯，而無法爬上2.5厘米高的樓梯上，但是多體機(jī)器人可以爬上2.5厘米高的樓梯。

為了測試多足機(jī)器人運(yùn)動的魯棒性，研究人員設(shè)置了分散的木塊障礙物以模擬復(fù)雜地形。在這個(gè)開環(huán)控制實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)機(jī)器人由于尾部機(jī)構(gòu)或驅(qū)動足被卡住而無法繼續(xù)運(yùn)動。相比之下，多體機(jī)器人可以定向越過障礙物以繼續(xù)運(yùn)動。

單體機(jī)器人和多體機(jī)器人的爬樓對比實(shí)驗(yàn)：單體機(jī)器人無法跨越間隙

單體機(jī)器人和多體機(jī)器人的爬樓對比實(shí)驗(yàn)：多體機(jī)器人可成功越障

單體機(jī)器人不能爬越一定高度的臺階多體機(jī)器人可以爬過同等高度的臺階

在零件損壞時(shí)的多體機(jī)器人仍可繼續(xù)運(yùn)動

研究人員發(fā)現(xiàn)大自然中的蜈蚣可以在缺失足的情況下仍可穩(wěn)定爬行。同樣，在現(xiàn)實(shí)情況下，機(jī)器人發(fā)生的故障是有可能的。而這項(xiàng)研究提出的單體機(jī)器人因驅(qū)動足損壞或其他部分（驅(qū)動器或傳輸）出現(xiàn)故障，多體機(jī)器人在無人干預(yù)的前提下仍可以繼續(xù)運(yùn)動。

研究人員將3個(gè)單體機(jī)器人組裝成多體機(jī)器人，中間的是缺失驅(qū)動足的機(jī)器人，他們發(fā)現(xiàn)多足機(jī)器人仍可以繼續(xù)運(yùn)動，而且爬行速度因?yàn)槟Σ亮p小而有所提高。

單體機(jī)器人驅(qū)動足損壞不可正常運(yùn)動

多體機(jī)器人驅(qū)動足損壞可正常運(yùn)動

單體機(jī)器人和多體機(jī)器人的應(yīng)用場合

機(jī)器人來跨越崎嶇地形運(yùn)輸（單體機(jī)器人用于無障礙路面的運(yùn)輸，多體機(jī)器人用于越障）

機(jī)器人來跨越崎嶇地形運(yùn)輸（單體機(jī)器人用于無障礙路面的運(yùn)輸，多體機(jī)器人用于越障）

受螞蟻覓食行為的啟發(fā)，研究人員研究了機(jī)器人的集群行為，根據(jù)所需的任務(wù)，比如在不同地形時(shí)運(yùn)輸輕型或重型物體，所采用的機(jī)器人類型有所不同。

例如，在平坦的地面上，單體機(jī)器人可以負(fù)載約占其質(zhì)量的70%的物體，使用單體機(jī)器人可以節(jié)省成本，而隨著物體質(zhì)量的增加以及路面情況變得復(fù)雜，要采用多體機(jī)器人才可以完成任務(wù)。

機(jī)器人學(xué)從古至今一直是一門迷人的學(xué)科，融合了多學(xué)科的技術(shù)，吸引著古今中外眾多學(xué)者的探討研究。多足機(jī)器人作為其中重要成員之一，一直是多足移動仿生機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。該項(xiàng)研究提出的可自行組裝的多足機(jī)器人，極大的增強(qiáng)了多足機(jī)器人的運(yùn)動能力，擴(kuò)展了其應(yīng)用場景，具有很高的研究前景和市場前景。（摘自美《深科技》）（編輯/費(fèi)勒萌）