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(shí)也能繼續運動(dòng)

在自然環(huán)境中，群體昆蟲(chóng)（如蜜蜂、螞蟻、白蟻等）、魚(yú)類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)物可以通過(guò)合作來(lái)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(dòng)，又可以組裝成多體足式機器集群系統。相關(guān)研究發(fā)表于 Science Robotics 期刊，題目為《共同完成具有挑戰性動(dòng)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中提出了一種四足驅動(dòng)的單體機器人，內置傳感、驅動(dòng)和控制功能，可以進(jìn)行自主移動(dòng)，同時(shí)這種單體機器人能夠組合成多體機器人。為了提高單個(gè)機器人在復雜地形下的運動(dòng)性能，研究人員在為這種機器人設計了柔性驅動(dòng)足和尾部機構。

當執行相對簡(jiǎn)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出成本優(yōu)勢。而當需要在復雜環(huán)境下越障和運輸時(shí)，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構設計

作者在這項研究中提出的四足機器人的靈感來(lái)自之前的研究（A systematic approach to creating terrain-capable hybrid soft/hard myriapod robots），每個(gè)單體機器人分為兩段，每段都有一對驅動(dòng)足，兩段結構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(xiàn)步態(tài)進(jìn)行運動(dòng)，而多體機器人則是由單體機器人自行組裝起來(lái)的

為了提高穩定性，研究人員設計了一種尾部機構。尾部機構提供了額外的支撐點(diǎn)，可以消除機器人不必要的轉彎和翻轉運動(dòng)。研究人 員分別對有無(wú)尾部機構的機器人運動(dòng)進(jìn)行了測試實(shí)驗，當使用尾部機構時(shí)，機器人在每個(gè)周期下行走的位移大于無(wú)尾部機構時(shí)的位移。 

研究人員表示，傳統上大多數足式機器人使用位置控制或扭矩控制來(lái)實(shí)現在復雜地形上的驅動(dòng)，這需要使用多個(gè)傳感器。然而，由于現實(shí)情況存在干擾等復雜情況，無(wú)法獲得無(wú)準確的反饋。為了實(shí)現快速而穩定的驅動(dòng)，需要額外的設計。

受仿生動(dòng)物啟發(fā)，研究人員通過(guò)改造驅動(dòng)足來(lái)提高機器人對復雜地形的適應性。這種柔性改造驅動(dòng)足的優(yōu)勢在于能夠在運動(dòng)的時(shí)候保持一定的扭矩，其靈活性可以使得驅動(dòng)足與地面的接觸區域分布得更加有效，不會(huì )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(dòng)研究

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

由于機器人的重心位于雙足之間，所以單體機器人卡住時(shí)，前足落入間隙，只能用后足旋轉，而機器人的由于向前傾斜而無(wú)法恢復姿勢。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(gè)機器人在不同高度樓梯的攀爬性能。單個(gè)機器人可以成功爬上 1.25 厘米高的樓梯，而無(wú)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(dòng)的魯棒性，研究人員設置了分散的木塊障礙物以模擬復雜地形。在這個(gè)開(kāi)環(huán)控制實(shí)驗中，單個(gè)機器人由于尾部機構或驅動(dòng)足被卡住而無(wú)法繼續運動(dòng)。相比之下，多體機器人可以定向越過(guò)障礙物以繼續運動(dòng)。

在零件損壞時(shí)的多體機器人仍可繼續運動(dòng)

研究人員發(fā)現大自然中的蜈蚣可以在缺失足的情況下仍可穩定爬行。同樣，在現實(shí)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動(dòng)足損壞或其他部分（驅動(dòng)器或傳輸）出現故障，多體機器人在無(wú)人干預的前提下仍可以繼續運動(dòng)。

研究人員將三個(gè)單體機器人組裝成多體機器人，中間的是缺失驅動(dòng)足的機器人，他們發(fā)現多足機器人仍可以繼續運動(dòng)，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用場(chǎng)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，根據所需的任務(wù)，比如在不同地形時(shí)運輸輕型或重型物體，所采用的機器人類(lèi)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省成本，而隨著(zhù)物體質(zhì)量的增加以及路面情況變得復雜，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(mén)迷人的學(xué)科，融合了多學(xué)科的技術(shù)，吸引著(zhù)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(dòng)仿生機器人的研究熱點(diǎn)。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(dòng)能力，擴展了其應用場(chǎng)景，具有很高的研究前景和市場(chǎng)前景。

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