机器人未来发展新趋势可重构机器人

演绎inSite第二十九期节目

可重构的机器人规划

白国超

英国帝国理工学院助理研讨员

白国超 @ 演绎 inSite 讲演视频：

以下为白国超讲演文字稿：

（依据讲演现场收拾，依据本意有所删减，完整版请看视频）

咱们好，我叫白国超，我是知行高科 (北京) 科技有限公司和知行机器人科技 (姑苏) 有限公司的创始人兼 CEO，我今天讲演的标题是：可重构的机器人规划。

机器人未来发展趋势

可重构机器人其实是一类新式的机器人。机器人，我想咱们都十分了解，首要能够分为工业机器人和服务机器人。

工业机器人便是使用于工业出产进程的机器人，比方在特斯拉新能源轿车出产中的安装型机器人、具有更高的安全性的协作型机器人；除了工业机器人之外的一切机器人，都叫服务机器人，比方十分心爱的 Pepper 机器人，它能够与人进行对话、交流，而且也能伸伸懒腰等，做一些十分搞怪的动作，还有咱们我国用在月球探究中的一个机器人，叫玉兔机器人。

图 | 安装机器人（来历：特斯拉）

怎么规划和开发一个机器人呢？首要咱们要知道，机器人其实是由五部分组成的，首要包含执行组织；传动组织，这是机器人的骨骼；驱动组织，是机器人的肌肉；操控体系，是机器人的大脑；感知体系，是机器人的神经。有了这五部分就能够开宣布一款机器人。

方才咱们说的都是传统的机器人或许工业型机器人的首要组成部分，那未来机器人的首要的研讨和发展趋势有哪些呢？通过许多的研讨咱们发现，机器人使用、研讨、开发首要有八个方向。

榜首个便是仿生技能，动画中显现的像蛇相同的机器人能够穿越十分狭隘的空间，而且能够做一些焊接工业场景下的作业，这样就能合适愈加杂乱的工业环境。

第二个机器人是英国的 shadow 公司开发的五指仿人手的机器人，合作人工智能范畴的 OpenAI 开发的智能算法，完成像人手相同灵敏地翻转木块，假如在机器人手的结尾加上传感器，咱们就能够开宣布一个具有更高的灵敏性，而且能准确感知的机器人，即使是草莓相同软的物体，也能够十分准确地抓取。

另一个发展趋势便是今天咱们讲演的主题，模块化可重构的机器人，这种机器人能够依据周围环境的改动自组织，然后习惯环境的改动，接下来要点介绍一下未来发展趋势中的可重构的机器人。

图 | 六足机器人（来历：Disney Research）

这是迪斯尼研讨院开发的一款机器人，它是一个六足的机器人，这个六足机器人首要包含两部分，榜首部分是它的操控器和操控芯片，包含它的动力源、电源、电池，这是它的操控决议计划中心；另一部分是六条相同的腿，每条腿有三种不同的运动形式，这三种不同的运动形式加上操控器，组成的机器人就会有各式各样的运动形式，一共能够完成七百多种不同形式的运动。

图 | 每条腿有三种不同的运动形式（来历: Disney Research）

一条腿也能自主运动，加上第二条腿能够匍匐前进，六足机器人能够像蜘蛛相同匍匐，假如去掉其间的两个足也能完成四足机器人的运动，这便是一个十分典型的可重构机器人。

图 | 能够像蜘蛛相同匍匐（来历：Disney Research）

可自习惯周围环境

可重构机器人具有模块化、多形式、可重构、自习惯这四个特色，用一句话来解说便是，通过模块化的规划，完成多种运动和功用形式的重构，然后完成自习惯周围的环境。我近十年的研讨作业经历，都是环绕可重构机器人进行的，比方这个是我在国内博士期间开发的雷达校准卫星。

首要介绍一下可重构机器人规划的榜首个特色，模块化。这是两款模块化的规划组织，榜首个是可展的多面体，第二个是模块化的帐子。

可展多面体其实是咱们用模块化的单元，再加上一套体系的可展多面体的规划办法，能够构成立方体、十二面体、二十面体乃至图中所示的三十二面体，足球形状的全体可展结构。这是咱们开发的航空航天范畴的一款雷达校准卫星，能够在发射之前折叠成一个五十厘米直径的球形结构，发射到轨迹之后再翻开，构成一个八倍的放缩比，翻开之后直径能到达四米。

另一个是模块化折叠帐子，咱们都知道其实每年夏天都会面对各式各样的自然灾害，在地震、水灾之后最重要的一件事便是给哀鸿一个像家相同温暖的居处，咱们开发的模块化折叠帐子就能完成这个功用，它能够在五分钟之内将敏捷翻开，构成房子相同的修建，现在也现已列入民政部救灾行业标准里。

咱们怎么样才干规划这样一个可折叠的折叠帐子或许雷达校准卫星呢？我分为四步来介绍，榜首步是拓扑结构剖析，首要剖析单元内部、连杆之间的衔接联系和或许的演化进程，这儿是用矩阵的办法来剖析整个演化进程。

第二步是组织剖析，首要剖析这个单元从最小折叠状况到最大折叠状况的放缩比，怎么样能让它的放缩比到达最大，归纳的进程其实是完成多品种型的可展多面体的办法，咱们也能够通过软件对其进行仿真，敏捷地树立咱们想要的多面体。

终究，由于咱们规划的是一款卫星，所以需求把它发射到太空中进行发射之前的试验，也便是在地球环境下，进行一个无重力试验。

图 | 模块化组织的规划进程

方才讲的是模块化规划的技能以及规划办法，接下来讲一下多形式的开发及规划。这儿首要介绍两款机器人，一款是我在蒙特利尔大学开发的微型单足机器人，这个机器人十分小，它的高度只需 75 毫米，不到 10 厘米，但其实它有许多的运动形式，比方能够十分稳健地步行、做跳动运动、翻滚，而且遇到障碍物之后还能自主地纠正自己的方向，然后持续之前的运动，这其实便是一种运动形式可变的机器人。

图 | 微型单足机器人（来历：Bai, G. and Thomaszewski, B., A C-Legged Monopedal Robot and Its Transition from Multiple Locomotion Modes. Submitted to ASME Journal of Mechanisms and Robotics.）

另一款是自习惯机器人手，它能够通过改动抓取物体的形式，然后习惯于不同尺度、不同形状的物体。人的手十分灵敏的，能做许多的作业，怎么样才干做一个机器人手来仿照人手的功用？当然咱们所做的是仿照人手的功用，而不是仿照人手的结构规划，现在有许多是仿照人手但咱们考虑的是人手的功用。

图 | 自习惯机器人手（来历：Bai, G., Kong, X., & Ritchie, J. M. (2017). Kinematic Analysis and Dimensional Synthesis of a Meso-Gripper. Journal of Mechanisms and Robotics, 9(3), 031017. 4.）

通过许多的试验发现，人手在抓取物体的进程中百分之九十以上都是靠指端的抓取，指端的灵敏程度决议了咱们规划的机器人灵敏度和抓取物体的品种的规模。咱们通过剖析和归纳的办法，规划出了榜首代、第二代、第三代的一系列自习惯机器人结尾执行器。

在整个剖析和归纳的进程中，首要咱们对人手抓取物体做了一个具体的剖析，比方人手抓十分小的物体的时分，是用拇指和食指并拢，然后用镊子的形状去抓取，抓取一般物体的话，咱们是用两个手指平面触摸物体去抓取。

咱们首要用乐高积木树立了一个相似功用的组织，完成像人手相同做细小物体和一般物体的抓取功用，接着进行尺度归纳。由于咱们要规划一款手，既能抓细小物体又能抓一般物体，所以需求界定一个抓取物体的规模，比方 6 毫米以内的物体是细小物体，6 毫米到 110 毫米是一般物体，这样规划出来的手，到终究就能够做到完成准确规模的抓取。

（来历：白国超）

这是咱们比较拿手的作业，便是准确地规划一款机器人组织完成咱们想要的功用，这个进程叫做组织归纳。归纳完组织之后还需求了解，咱们怎么能够驱动这个组织完成抓取，这叫组织剖析，咱们是通过一些剖析软件来完成。

这个两指的自习惯机器人手，也具有可重构的功用，接下来介绍一下可重构的特色。变形轮和动态雕塑是我在英国期间开发的两款样机，变形轮其实是 16 年的国际组织与机器人规划比赛中的一款获奖作品，其实变形轮和动态雕塑的根本拓扑结构是相同的，十分有规则性。

（来历：白国超）

动态雕塑，是在苏格兰国家博物馆展览半年的一个未来机器人样机，整个的规划进程也是分为这四步，关于规划开发来说，3D 规划和 3D 制作是十分简略，由于咱们有比较发达的规划软件，还有比方 3D 打印机等的加工办法，能够很快让咱们的模型做出来，但其实咱们的中心是在榜首和第二步，也便是拓扑挑选和剖析归纳这一进程。

这个的拓扑挑选是我在做过束缚组织的剖析研讨进程中发现的，这儿是整个剖析下来一切的运动链，然后通过这个运动链的剖析发现，其间的两个运动链是有十分附近的特色的，比方圈中画的这两个，一个是由三个四边形通过串联组成了一个环，第二个是四个四边形组成的环。其实是有规则的，假如是五个四边形是不是也能够组成环，六个四边形或许七个乃至更多，都能够有这样一个相同的规则，使用这个规则咱们开宣布了这么一个组织。

图 | 运动链（来历：ssGuochao Bai. Adaptive and Reconfigurable Robotic Gripper Hands with a Meso-Scale Gripping Range. PhD thesis. 2017）

当然，方才那个组织其实严厉意义上是一个不行动的组织，是一个过束缚组织，可是假如咱们将其间的四边形变成平行四边形就能够让其运动，之后咱们又进一步地具体规划开宣布了这个变形轮，这是终究加上驱动传动组织之后的变形轮。

图 | 加上驱动传动组织之后的变形轮（来历:白国超）

咱们也开发了模块化可重构的机器人手，波士顿动力公司现已开宣布了十分具有灵敏性的机器人，能够跑步、跳动，乃至后空翻，可是假如是想让一个机器人手抓起一根针，进行牵线搭桥的话，我想这个作业要比之前的作业愈加困难，这也是咱们开发这个机器人手的一个原因。

机器人手其实是一个十分具有挑战性的课题，依据咱们之前关于组织学，以及机器人学的研讨，咱们开宣布的这一款机器人手是通过模块化的规划，能够进行指间的灵敏操作，而且配有一些伺服驱动操控，能够完成准确的方位和力操控，这款产品也正在国内的科研教育范畴以及工业范畴进行广泛推行和使用。

图 | 自习惯智能机器人手（来历：知行高科）

未来咱们将不只是局限于某个产品的模块化规划，咱们也在进行工厂的模块化、可重构的改造，然后完成智能制作以及柔性出产，也能为企业带来更多的收益。

本来工厂出产一个部件需求很长的出产线，这样的话出产完这个部件之后，出产另一个部件又需求从头树立一个出产线，这样出资十分大，收益却是十分小的，而模块化可重构的工厂能够处理这一问题，然后习惯越来越多的个性化产品以及小批量产品的开发，这样的工厂具有高灵敏性、高回报率，快速替换、快速装备、易保养和易转移等等优势，这也是未来咱们公司要开发的模块化工厂的一个计划，感谢咱们！

-End-

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