干货！大然科技CTO唐昭博士深度分享《机构与机器人四肢》
随着技术不断发展革新，现实生活中的机器人也在不断更新，例如：工业机器人中的机械臂、特种机器人中的无人机、农业中的采摘机器人、家庭中的服务机器人等都在不断地进化，对于这些经常看到的，我们并不陌生，那对于可重构机器人是否也有所了解？
什么是可重构机器人？官方语言：“可重构机器人是一种可以根据任务或环境的变化而改变构形的机器人。通过对模块进行组合，可重构机器人能够简单快速的装配成适合不同任务的几何构形，这种组合不仅仅是简单的机械重构，还包括控制系统的重构。重构后的机器人不但能适应新的工作环境和工作任务，而且具有很好的柔性”。为了更深入的了解什么是可重构机构，机器人大讲堂特邀大然科技CTO唐昭博士为大家分享《机构与机器人四肢》
唐昭博士天津大学博士，大然科技有限公司CTO，研究方向包括可重构机构、移动机器人、仿人灵巧手。主要从事可重构机构设计及分岔路径控制，变胞仿生机器人设计及步态算法控制、仿人灵巧机械手手指驱动设计及控制的相关研究，作为大然科技的首席技术官，带领整个技术团队攻克了机器人伺服驱动器技术难点，将变胞足式机器人相关技术落地到教育娱乐及特种应用场景中。
唐博士主要从以下五方面为大家做精彩分享：
1. 什么是机构，可重构机构
2. 机构的历史以及未来发展趋势
3. 变胞仿生四足机器人
4. 仿人灵巧手
5. 机器人手、足发展现状以及产业落地的相关思考
什么是机构，可重构机构
机构这个词对大家来说并不陌生，那什么是机构呢？机构是一种实现力和运动转换的装置，以下列两个图为例：左图的是一种齿轮机构，他的功能是将输入的扭矩从左边的齿轮传到右边的齿轮，实现力的传递；右图是一个四杆机构，他是给定的转动的输入，它输出的是一个特定的曲线，实现运动的转换。生活中关于机构的事物也是很常见的，像老式的压水机、折叠座椅、折叠电动门等。
大家是否有个疑惑，机构与机械是否一样，它们俩之间存在着怎样的关系？以瓦特蒸汽机举例：瓦特蒸汽机中有一个气缸，在这气缸中实现将蒸汽的热能转换为机械能，转换后输出的运动是一个直线运动，而我们想要的运动是一个回转运动，如何达到我们理想中的状态呢？可以在蒸汽机中加入四杆机构，将直线运动转换为连续旋转的运动，从这个例子中我们可以看出，机构是机械的组成部分，一个机械里面会包含一个或者多个机构，而机构决定了机械的运行原理。
对于机构来说有一个很重要的性质就是他的活动度，什么是活动度？我们可以将活动度简单理解为我需要多少个电机去控制它，如何求得活动度呢？套用相应的公式得出的结果就是活动度，也就是电机的个数。
四杆机构
随着历史的发展，人们又陆陆续续的发现了其他的机构，比较著名的有Sarrus linkage、Bricard linkage以及Bennett linkage等，这些机构有个特点就是将其带入到求活动度的公式，得出的结果是0或者是负数，但是又是可以运动的，例如下图的Bricard linkage所示：
Bricard linkage
以上这种求得活动度为0，实际效果为1的机构，我们成为过约束机构，除了这种机构还有另外一种机构，这种机构具有多种转换模式，就像我们刚刚说起的，机构是实现力和运动的转换，对于常规机构来说，只有一种特定的运动模式，而对于可重构机构来说具有多种模式，从以下四张图看出都属于一种机构，拥有多种运动形式和特征，这种机构就称为可重构机构。
Branch I
Branch II
Branch III
Branch IV
可重构机构大致分为以下三种
☆运动转向机构：通过奇异位型，实现活动度的永久性改变
☆变胞机构：在运动的过程中，有效的杆件数目会发生改变，具体的实现方式可以通过奇异构型或其他方式。
☆变量拓扑机构：通过关节的几何特征的变化实现拓扑结构的改变
可重构机构设计
对于传统机构来说，它的构型分支是固定的，转换的形式也比较单一，但是 对于可重构机构来说，不同的构型分支具有多条，而且是相对独立的，没有必然的联系，他们唯一的共同特征就是不同的构型分支之间必须通过奇异构型完成相互转换，基于这个特征我们提出了基于分叉构型的可重构机构设计方法，具体的步骤就是我们设计出奇异构型，再设计奇异构型的同时，让其满足多种几何条件的约束。
分叉路径的控制:
可重构机构要实现构型分支的切换一定要经过分叉构型，对于下图为例：
平面构型: 3个活动度
分岔构型：4个活动度
Sarrus类构型：2个活动度
左边是一个平面构型分支，如果想变到右边的Sarrus linkage，需要经过分叉构型，这时分叉构型的活动度一般都是大于构型分支的活动度。
传统情况下是添加电机来实现分支之间的转换，但是当转换完成之后，电机会处于一种限闲置的状态，这样便造成了资源的浪费。为此，我们提出的研究目标，在不增加额外电机的情况下来实现构型分支的切换。
基于目标提出的研究步骤：
1. 分析分岔构型相连的几个构型分支，找到他们之间的差异
2. 探究外部因素对这些构型分支的影响
3. 结合内外因素，综合得出驱动策略，来实现分岔构型控制
变胞四足机器人
变胞四足机器人的灵感来源于自然界中的足式动物，特点是在世界各地都会看到格式各样的动物，但是经过总结，从拓扑结构上来看可分为三种类型：哺乳类、爬行类、昆虫类，这个三种类型的差异在于：
☆身体的形态以及活动度
☆ 腿的相对位置
☆腿关节的轴线姿态
以下是传统的机器人，都是模仿某种特定的动物：
在我们拥有可重构机构后，我们是否可以利用可重构机构设计出的机器人能够模仿多种形态的动物，将不同生物类的特点结合到一起，基于这个设计目标，我们对此机器人的躯干进行分析所需的条件：
☆必须满足重构机构，因为身体形态的不同需要实现可重构性
☆活动度的不同，因为每个生物都有自己特定的活动度
☆需要有对称性
根据以上条件所设计出满足要求的变胞机构，变胞机构是根据Sarrus linkage延伸而来的，Sarrus linkage 是能够将会转运到转换为直线运动的机构，这个机构是由两条支链组成，每条支链由三个转动副组成，它的约束条件件如下图：
Sarrus linkage
如何打破这个约束条件？可将动平台和静平台一分为二，用两个转动副连接起来，这转动副又是共线的，这样的话既可以实现Sarrus linkage机构直线的移动，还可以绕共线的转动副进行旋转，当它旋转时α≠Kπ的条件就会打破，如下图：
Sarrus linkage
Metamorphic 8-bar linkage
基于变胞机构设计的变胞机器人，变胞机器人可对身体重构实现蜘蛛、螳螂、狗三种生物的仿生（图1）。当这个机器人设计完成后还需要分析它的机构特性，然后将其各个构型分支分析清楚，找到合适的方法来实现控制（图2）。我们这边还用的方法是高阶运动学采用的方法，分析每条不同的构型分支，将多个构型分支进行组合，得到构型空间示意图（图3），来规划一种仿生到另一种仿生切换的路径，这样就可以避免一些奇异构型。经过构型空间中存在一些不满足条件而不想要的构型分支，如何去除这些构型分支呢？我们可设计一些特有的装置，当构型经过那个构型分支的分叉点时会自动锁死，这样就防止实现该构型。
图1 可仿生三种生物结构图
The 1ST and 2ND order cone:
面朝大海
春暖花开
图2 机构分析示意图
图3 机构空间图
图4构型分支控制装置图
仿人灵巧手
仿人灵巧手的灵感来自于折纸机构，设计理念就是将变胞机构作为灵巧手的手掌，传统的机械手大多都是采用的刚性手掌，而我们这边运用到变胞机构的话，可以改变手指之间的位置与姿态，这样的话，可以通过重构提高抓取物品不同的尺寸和类型适应性。
在新一代变胞仿人灵巧手的设计中，采用最新的变胞机构，特点是通过两块构型空间的两点连接，当进行抓取物体时，可以通过两块构型空间中的任意一块来适应物体。
机器人手、足发展现状以及产业落地的相关思考，机器人对于动物或人的模仿形成足式机器人，都是属于移动功能。真正影响其大规模行业应用的因素分为以下几点：
从以上几点我们可以总结出：
对于传感器来说以逐渐成熟，用在足式机器人的传感器有压力传感器，还有身体上的陀螺仪传感器，用在导航上视觉方面的，有激光雷达或深度相机等，从这些可以看出传感器的发展情况，已经可以满足足式机器人的应用；稳定性、互载与智能程度也基本满足现在的需求，但是在续航方面有所欠缺，时间仅仅只能达到1~2小时，有些甚至还到不了1个小时，另外一个限制因素就是成本太高，市场中不管是浙大的“绝影”，还是宇树科技的莱卡狗都在十万以上。
机械手市场落地的新因素：
目前最制约的机械手的是智能程度，传统的人工智能技术在手的应用上还是比较少的，传感器的要求也是相当高的，机械手的传感器不同于足式传感器，是需要具有感知的，在抓取某一物件时，是需要视觉与机械臂相互结合的，在没有视觉的情况下只能通过传感器的触觉感知来获取物品的信息。
现在绝大部分机械手基本上都是使用电机作为驱动方式，但是人手显然不是，人手是通过肌肉的拉伸运动来实现关节的转动，电机作为驱动会制约手的灵活性，力量等。机械手大规模应用的前提，只能等到智能技术成熟，才可以在操作方面进行大规模应用。
足式机器人最好的应用场景是特种应用，什么是特种应用？无人机无人车无法对此场景进行满足时，才是足式机器人最好的应用场景，这样才能把足式机器人的价值最大化。
不管是对于足式机器人还是灵巧手，对于新型驱动的要求都是格外强烈，现在用到的都是电机，但是电机在应用中也会存在很大制约性，对于足式机器人来说就制约了续航的时间，对于灵巧手而言是限制了灵活性。最好的是直接由电能转换为机械能转换的材料，例如：电制伸缩材料。
总的来说无论是足式机器人还是机械臂在单一的情况还是发挥不了更大的优势，只有两者结合时才能取得进步，取长补短获得新的突破。