现实版《超能陆战队》：港中深「新型自重构机器人」获IROS最佳机器人设计提名

在电影超能陆战队中，主角小宏设计了一款由成千上万的微磁单元组成的微磁机器人。每个带有磁性的微型单元都是独立的个体，它们通过磁力即可互相连接，在人类的控制下随意排列组合，可以任意变换成桥梁、快速移动的阶梯等等三维空间上的结构，不受障碍物影响地去完成各种任务。电影中，反派卡拉汉教授在盗取这款微磁机器人后，能轻松的上天、入地，创造一切可能。

太平洋时间10月25日，机器人领域的顶级学术会议—— IEEE智能机器人与系统国际会议（IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS）正式召开。受疫情影响，本该在拉斯维加斯举行的 IROS 2020 改在线上举办，并且史无前例的通过线上免费向公众开放。

在IROS 2020上，香港中文大学（深圳）机器人与人工智能实验室的题目为《FreeBOT: A Freeform Modular Self-reconfigurable Robot with Arbitrary Connection Point - Design and Implementation》的论文被提名为机器人机构设计最佳论文（Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design）。

有趣而具有挑战的MSRR

模块化自重构机器人（Modular Self-Reconfigurable Robot, MSRR）是近年来的研究热点。MSRR系统由许多重复的模块单元组成，这些模块可以通过改变连接关系重新改变成不同的构型。

近年来，国内外学者设计了许多有趣的MSRR，它们基本上可以分为三种类型：晶格式、链式和混合式。

尽管这些MSRR采用了不同的结构和不同的连接方式，它们都有一些缺点：

  • 在现有的MSRR中，模块间的连接要求精准对齐，很耗时且成功率低。一旦在崎岖的地形中，模块之间很难建立连接。

  • 通过改变模块间的连接关系，MSRR系统可以变换成不同的构型。现有MSRR的连接机构都位于模块的某一个面或某一个点上；再加上连接机构的数量有限，这限制了系统组合构型的多样化，极大地限制了MSRR解决不确定任务的能力。

因此，如何设计一个有效的、自由组合的MSRR模块仍然是一个挑战。

巴克球带来灵感

该如何突破MSRR的局限性呢？巴克球给了研发人员一些灵感。

巴克球本质上是一些磁性小球，在人的外界干预下，一堆巴克球可以自由地变化成各种形式。研发人员正是希望赋予多机器人系统这样的特性，让多机器人系统能够自主地、自由地形成各种形状，产生不同的功能，满足不同任务的需要。

新型模块化自重构机器人FreeBOT

受巴克球的启发，论文提出了一个新型的模块化自重构机器人FreeBOT，它可以在其他机器人表面上任意点自由连接。

FreeBOT主要由两部分组成：球形铁磁性外壳和内部磁铁。模块之间的连接是无性的和即时的，因为内部磁铁可以自由地吸引其他FreeBOT的铁磁性球壳，而不需要与特定的连接器精准对齐。这种连接方式具有更少的物理约束，因此可以将FreeBOT系统扩展到更多的构型以满足更多的功能需求。

FreeBOT虽然只有两个电机，但可以完成多项任务：模块独立运动、连接器管理和系统重构。FreeBOT可以在平面上独立移动，甚至可以爬上铁磁性的墙壁；一群FreeBOT可以穿越复杂的地形。大量的实验测试表明，FreeBOT系统具有实现自由组合机器人的巨大潜力。

FreeBOT展示了一些有趣的运动能力。一个FreeBOT可以在平地上独立的移动；甚至爬上铁磁性的斜坡；甚至爬上垂直的铁磁性墙壁。

一群FreeBOT可以展现更有趣的协作运动。一个FreeBOT可以与另外一个FreeBOT自由地连接/分离；组合在一起后，一个FreeBOT可以在另外一个FreeBOT的表面自由的运动。

两个FreeBOT可以协作地完成超出个体能力的任务。

潜力巨大，未来可期

研发人员相信，电影《超能陆战队》中具有自由组合特性的“微磁机器人”是模块化自重构机器人的终极目标，而FreeBOT是香港中文大学（深圳）机器人与人工智能实验室为了实现这个目标而走出的第一步。

未来，他们会基于FreeBOT开展更多协同规划算法的研究，以实现一个自由组合的FreeBOT系统。此外，研发人员将增加FreeBOT的数量，以充分展示FreeBOT在实现更多模块化自重构机器人应用方面的巨大潜力。期望不久的将来，FreeBOT能够实现电影中的微磁机器人的震撼场景，实现真正的自由组合机器人。

关于作者

本文第一作者为香港中文大学（深圳）在读博士生梁冠琪，其导师为林天麟教授。目前他的研究方向包括模块化自重构机器人和现场机器人。

论文、视频直通车

论文链接

https://www.researchgate.net/publication/344738010_FreeBOT_A_Freeform_Modular_Self-reconfigurable_Robot_with_Arbitrary_Connection_Point_-_Design_and_Implementation

YouTube视频:

https://www.youtube.com/watch?v=pPNUcXWr4Ek

https://www.youtube.com/watch?v=23I2ms6Wti4

B站视频:

https://www.bilibili.com/video/BV1HZ4y1V7YZ

https://www.bilibili.com/video/BV1aK4y177jM

实验室链接:

https://rail.cuhk.edu.cn/

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