科學(xué)家研發(fā)出新型多足機器人，可自行組裝，零件損壞時也能繼續(xù)運動

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)的模塊化群機器人，然而，由于輪式 / 履帶式機器人難以克服一些足式機器人能夠處理的復(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動，又可以組裝成多體足式機器集群系統(tǒng)。相關(guān)研究發(fā)表于 Science Robotics 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器人群》（Self-reconfigurable multilegged robot swarms collectively accomplish challenging terradynamic tasks） 。

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

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

單體機器人和多體機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

作者在這項研究中提出的四足機器人的靈感來自之前的研究（A systematic approach to creating terrain-capable hybrid soft/hard myriapod robots），每個單體機器人分為兩段，每段都有一對驅(qū)動足，兩段結(jié)構(gòu)分別與伺服電機相連。

在本項研究里，單體機器人和多體機器人均使用對角線步態(tài)進行運動，而多體機器人則是由單體機器人自行組裝起來的

為了提高穩(wěn)定性，研究人員設(shè)計了一種尾部機構(gòu)。尾部機構(gòu)提供了額外的支撐點，可以消除機器人不必要的轉(zhuǎn)彎和翻轉(zhuǎn)運動。研究人 員分別對有無尾部機構(gòu)的機器人運動進行了測試實驗，當(dāng)使用尾部機構(gòu)時，機器人在每個周期下行走的位移大于無尾部機構(gòu)時的位移。 

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

受仿生動物啟發(fā)，研究人員通過改造驅(qū)動足來提高機器人對復(fù)雜地形的適應(yīng)性。這種柔性改造驅(qū)動足的優(yōu)勢在于能夠在運動的時候保持一定的扭矩，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)的前提下提供強大的越障能力。

單體和多體機器人的越障，爬樓以及崎嶇地形上的運動研究

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

由于機器人的重心位于雙足之間，所以單體機器人卡住時，前足落入間隙，只能用后足旋轉(zhuǎn)，而機器人的由于向前傾斜而無法恢復(fù)姿勢。但將機器人連在一起，組裝成多體機器人，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機器人在不同高度樓梯的攀爬性能。單個機器人可以成功爬上 1.25 厘米高的樓梯，而無法爬上 2.5 厘米高的樓梯上，但是多體機器人可以爬上 2.5 厘米高的樓梯。

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

在零件損壞時的多體機器人仍可繼續(xù)運動

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)實情況下，機器人發(fā)生的故障是有可能的。而這項研究提出的單體機器人因驅(qū)動足損壞或其他部分（驅(qū)動器或傳輸）出現(xiàn)故障，多體機器人在無人干預(yù)的前提下仍可以繼續(xù)運動。

研究人員將三個單體機器人組裝成多體機器人，中間的是缺失驅(qū)動足的機器人，他們發(fā)現(xiàn)多足機器人仍可以繼續(xù)運動，而且爬行速度因為摩擦力減小而有所提高。

單體機器人和多體機器人的應(yīng)用場合

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

例如，在平坦的地面上，單體機器人可以負載約占其質(zhì)量的 70% 的物體，使用單體機器人可以節(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，要采用多體機器人才可以完成任務(wù)。 

機器人學(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。多足機器人作為其中重要成員之一，一直是多足移動仿生機器人的研究熱點。該項研究提出的可自行組裝的多足機器人，極大的增強了多足機器人的運動能力，擴展了其應(yīng)用場景，具有很高的研究前景和市場前景。

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