模块化自主变形机器人设计探索

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随着科技革命和产业革命、信息化与工业化的不断融合，社会创新的不断深入，创新驱动成为中国乃至世界的发展趋势，机器人设计逐渐成为了引领智能创新设计制造发展的方向之一。以哈尔滨工业大学为主力（涵括武汉理工大学、四川美术学院、景德镇陶瓷大学等学术力量）的机器人设计团队，以国家发展的重大战略需求及社会问题为导向进行创新设计，自主研发了模块化自主变形机器人，获得了2018年中国优秀工业设计奖金奖。

1.设计背景

一项设计的发展与深入要根植于时代和社会，模块化自主变形机器人在设计伊始就针对当前的政策、社会以及科研等方面的背景进行了调研与论证。

习近平总书记强调：“科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。”2“国际上有舆论认为，机器人是‘制造业皇冠顶端的明珠，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。”3 2016年以来，随着国务院“十三五”规划纲要的发布，对于大力发展机器人的国家政策不断出台，机器人的发展迎来了关键时期。

随着人工智能科技的深入，我国智能机器人在国防、制造、医疗、服务等方面都有了广泛的应用，但在机器人设计创新方面的发展却并不乐观。在面对我国“工业2025”、“一带一路”，特别是如抢险救灾、空间探索、海洋开发、文化考古等重大需求时，智能机器人的设计与制造，亟待发展。

模块化自主变形机器人概念诞生于20世纪90年代，为从根本上解决机器人如何改变形态、适应环境提供了可能性。模块化机器人通常由结构相似的基本模块组成，模块单元集合了探测、通讯、感应、运动等相关功能，一定数量的模块群可以组成不同形态和功能的机器人，通过改变模块的数量和连接方式就能够改变机器人的整体构型。例如可以从一张桌子变成椅子等等，这种新概念机器人从根本上为实现“构型重建、一机多用”提供了可能性。

2.灵感与理念

模块化自主变形机器人设计从自然界中获取灵感，从生命自组织演化与发展进化的角度看待自重构机器人形态与功能的形成，利用仿生学原理，以“感知一变形一运动一行为”为主线，探索机器人自行完善结构、发展智能、适应环境的理论与方法。

模块化自主变形机器人的核心理念是通过结构重组、形态重塑、功能再生实现传统的固定构型机器人所无法达到的复杂环境适应能力，为从根本上提高未来机器人的环境适应能力、任务执行能力提供了全新的设计思路与构想。本设计尝试从生命自组织演化与发展进化的角度看待模块化自主变形机器人形态与功能的形成，围绕分布控制、信息感知、机器人自组织、自重构、自适应等科学问题，以人机融合的交互设计原则、可持续设计理念为支撑，从“人-机-环境”的整体角度出发，开展模块化机器人环境感知、形态重构、协调运动、自主行为等方面的设计探索，并配套建立了面向复杂环境的机器人虚拟仿真与实验平台，为模块化自主变形机器人的发展提供了重要的理论与实践参考。

3.设计探索

在国家重大战略需求目标下，结合机器人相关前沿技术，我们希望机器人在复杂作业环境和极端工作条件下，本体能够千变万化，自适应不同场景，这些颠覆性的需求显然是传统单一固定构型机器人难以实现的。 具体来说，在面对自然灾害、核电站维护、外太空等复杂、苛刻环境时，人类不可能与机器人共处同一环境下，这就要求机器人自身能够适应复杂多变的恶劣环境，并能够脱离人工远程操控，进行自主思考、决策、变形甚至执行任务。同时，由于环境的复杂性和不可预测性，机器人在执行核心任务的过程中会面临一系列多变的子任务。如：在面对地震等自然灾害，急需探测废墟中的生命体征，提供准确伤者位置、健康状况以及废墟内部环境等信息，以便救援力量实施精确的援救以及治疗等措施的时候。原有的做法只能是由救援人员在废墟表层进行探测，并逐层破除障碍物，逐层深入探寻生命体征。这样的方法无疑使用了很长的搜索时间，无法在黄金救援期内将受困于废墟深层的人营救出来，降低了地震救援的效率。基于这样的情景，传统机器人虽然可以延展人类的活动空间或提升人类处理复杂任务的能力，但是传统机器人并不能对地震救援这一类综合型任务给予全面支持。某一类型的传统机器人可以进行表面探测，但无法深入废墟中进行全面探测;或者一些传统机器人具备挖掘和移障功能，但却无法进行探测和救援。

基于这些现状，模块化设计就成为了解决这一问题的可靠方法。模块化机器人由一定数量的独立模块组成，通过模块与模块之间不同连接，构成了整体的机器人。本次设计利用仿生学原理，尝试从动植物生命体的组织、进化、发展等角度出发，解決模块化自主变形机器人个体形态及其整体链接方式等问题。同时，以晶体结构为灵感，尝试了以晶体结构为原型的模块自组织方式，设计出了有目标构型的重构。最终设计成型的模块化机器人可以伸缩变形成为虫形机器人挤过狭窄洞口;可以变为兽形机器人攀爬陡坡;可以变为蛇形机器人盘附于栏杆上执行任务等等。在这样的设计思想下，机器人就可以针对不同任务做出不同造型，实现一机多用，综合处理任务等目标。

不仅如此，结合人工智能科技，将模块化机器人赋予自主思考、自主探索、自主应对问题等能力后，模块化机器人便拥有了智慧、智能的特征。同时，本设计从生物大脑神经系统进化发育的科学原理中得到启发，借鉴自然界‘适者生存的进化过程，利用单个机器人之间的局部网络沟通能力，解决了模块自主变形机器人需要依靠上位机核心控制的问题，实现了分布式控制以及模块的“舍弃一再生”设计。

（1）单体模块

模块化自主变形机器人由多个独立模块组合而成，在目前国内外的相关研究和实践中，多数研究采用相同结构的模块单元。这样由具有完全运动能力的模块组成的机器人虽然在系统控制以及运算难度上有所降低，但是这样的构型方式决定了每个模块都必须具备同等且独立的运动能力和其他附属功能，这无疑加大了模块的设计、制造难度。基于这样的前提和思路，在本次设计实践中，我们综合了构型设计和运算设计，研制出了既具有较高连接度和运动能力，又具备较低重构难度的独立单元——UBot。

UBot为一组具有双轴运动能力的单元模块。它由主动模块和从动模块两种模块构成，单独的某一模块不具备运动能力，但是主、从模块相互连接后便具有了完全的运动能力。在外形与构型设计上，UBot利用了模块化设计思想，主、从模块具有基本相同的外观，可以实现模块与模块之间的无缝链接。同时，在UBot内部还集成了方位识别、无线通讯、环境感知等功能模块，实现了模块化自主变形机器人的相应功能。不仅如此，为了保证模块与模块间的可靠链接，UBot还采用了磁性引导对中、主被动结合的钩爪式连接设计，这很大程度上提高了模块化自主变形机器人在运动和重构过程中的效率和可靠性。

（2）整体模块

模块化自主变形机器人可能由成百上干个单元组成，如此大量的个体，如果由上位机进行统一控制，计算量和通讯量会随着模块数量成指数增长，而且一旦与主控失去联系，所有单元就会陷入瘫痪。这样情况下，我们需要探索一种新的途径，就是分布式控制，利用每个单元的有限计算能力和局部通讯能力，实现整体的自组织、自协调，从根本上解决依赖上位机大脑的问题。

通过模块之间的局部通信运算，模块化自主变形机器人具备了自主变形、自主适应等功能。大量由单个模块结合所组成的机器人整体构型，借鉴了生物组织分化生长过程中普遍存在的分形规律，形成了模块化机器人针对不同环境进行不同运动的特征。

（3）平台建设

模块化自主变形机器人不同于传统固定结构的机器人，它的形态干变万化，我们没办法针对每种形态都预先制定相应的控制方案。这就要求机器人能够根据环境的改变，自主决策，自主地产生适用的控制规律，从而解决机器人功能进化问题。

针对目前存在的困难，借助于多核集群的大規模并行计算能力，建立了模块化自主变形机器人的虚拟仿真平台，该仿真平台集成了动力学、运动学、多种进化算法及三维显示功能，可通过仿真平台随意构造不同构型的机器人，并进行大规模的智能进化运算，从而获得机器人多种多样的运动步态。

哈尔滨工业大学是国内最早开展模块化变形机器人设计研究的单位之一，到目前已成功开发了4代不同结构与功能的机器人模块单元及平台，在运动进化、变形规划、协调运动等理论研究方面取得突破：发表SCl检索论文30余篇，获得最佳论文奖2项，申报有国家发明专利16项，模块化自重构机器人研究连续4次获得国家自然科学基金资助，2017获得国家自然科学基金重点项目支持。这些都是团队设计与研究模块化自主变形机器人平台的重要支撑。

随着智能科技变革的逐渐深入，电子学、微型机电系统及微型传感器技术的发展，处理器单元及传感、驱动技术的不断完善，模块化自主变形机器人的构成模块将越来越小，功能也会越来越强大，自主性也将不断提高。模块化自主变形机器人可以变为虫形姿态通过狭窄洞口、可以变为人形站立探测洞穴顶部岩石构成、可以变为兽形通过崎岖路面、可以变为蛇形盘绕于栏杆上探测目标等等。

模块化自主变形机器人未来将应用于空间操作、深海探测、登月探索、核电站维护、地震救援、反恐侦查等领域。在不远的将来，模块化自主变形机器人将能够具备更强大的运动能力，适应更加复杂多变的环境，自主完成更艰巨的任务，为我国重大战略目标的实现贡献力量。

注释

1 作者简介：毛昕，景德镇陶瓷大学博士生在读，晗尔滨工业大学讲师：陈汗青教授，景德镇陶瓷大学等校博士生导师、哈尔滨工业大学深圳校区设计学首席学术顾问;王爱红教授，景德镇陶瓷大学博士生导师;朱延河教授，哈尔滨工业大学博士生导师，机器人技术与系统国家重点实验室副主任。

2 习近平在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上的讲话[OL].http：//opinionpeople.com.e n/n/2014/0610/c1003-25128050.html，2014.6.10

3 同上