戴野 張啟昊 高語斐 齊云杉 王建輝

摘要：自重構(gòu)模塊化機(jī)器人是指通過一種或多種模塊組裝而成，能根據(jù)工作環(huán)境的變化重構(gòu)為另一種構(gòu)型的機(jī)器人，具有操控范圍廣、結(jié)構(gòu)可變、功能簡(jiǎn)單易擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為學(xué)術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了探討近年來自重構(gòu)模塊化機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展，對(duì)國(guó)內(nèi)外已有代表性成果的模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理，從同構(gòu)與異構(gòu)、串聯(lián)式與陣列式兩方面對(duì)自重構(gòu)模塊化機(jī)器人進(jìn)行分類，并在此基礎(chǔ)上分析了研究中存在的主要問題，提出可能的發(fā)展方向并對(duì)以后的研究作出展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;重構(gòu);模塊;同構(gòu);異構(gòu);串聯(lián)式;陣列式

DOI：10.15938/j.jhust.2021.05.005

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2021）05-0034-10

0 引言

機(jī)器人是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人將越來越多地應(yīng)用于工業(yè)及非工業(yè)領(lǐng)域中，逐步取代入類完成各種冗雜繁瑣、危險(xiǎn)度高的工作。機(jī)器人可以在不同的環(huán)境中進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，效率高，完成度好，極大地提高了工業(yè)及生活等領(lǐng)域的運(yùn)轉(zhuǎn)效率[1-2]。但隨著工作環(huán)境日益復(fù)雜以及目標(biāo)任務(wù)逐漸多樣化，傳統(tǒng)機(jī)器人的局限性逐漸凸顯出來。由于機(jī)器人的可靠性能，其越來越多地應(yīng)用在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，但是在這種環(huán)境中存在著不可預(yù)料的突發(fā)情況，研發(fā)人員也很難事先確定機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)。功能固定，無法應(yīng)對(duì)環(huán)境與任務(wù)的變化成為傳統(tǒng)機(jī)器人的限制。為提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)能夠滿足不同任務(wù)需求的自重構(gòu)模塊化機(jī)器人，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義[3-7]。

1 自重構(gòu)機(jī)器人模塊的設(shè)計(jì)理念

目前傳統(tǒng)的機(jī)器人，如工業(yè)機(jī)械臂和仿生機(jī)器人等，大都針對(duì)特定的應(yīng)用目的和場(chǎng)合，對(duì)某個(gè)或某些特定任務(wù)需求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，功能比較單一。并且這些機(jī)器人都是在受控環(huán)境下運(yùn)行工作的，環(huán)境的任何變化都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人操作出現(xiàn)問題，從而增加了在工業(yè)中的平均資源消耗。機(jī)器人設(shè)計(jì)的下一階段是從模塊化單元組裝的角度出發(fā)，提高安裝、維修、更換、控制等方面的便捷性，研究人員在開發(fā)的后期引入了自動(dòng)化、自愈、重構(gòu)等概念，創(chuàng)造了自重構(gòu)模塊化機(jī)器人[8]。自重構(gòu)機(jī)器人模塊的結(jié)構(gòu)決定了機(jī)器人之間的連接方式及其可靠性，影響著機(jī)器人的構(gòu)型決策，重構(gòu)后的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)誤差，以及功能實(shí)現(xiàn)的可靠度。因此，模塊的設(shè)計(jì)是自重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[9]。

對(duì)于自重構(gòu)機(jī)器人模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可從兩方面進(jìn)行分類：

一是從模塊構(gòu)型上可分為同構(gòu)模塊設(shè)計(jì)與異構(gòu)模塊設(shè)計(jì)。同構(gòu)即機(jī)器人構(gòu)型由同種模塊組成，同構(gòu)機(jī)器人的模塊通常設(shè)計(jì)為具有多種自由度與多個(gè)連接面，包括不同角度的旋轉(zhuǎn)，這種設(shè)計(jì)是為了在組成構(gòu)型時(shí)易于連接與運(yùn)動(dòng);異構(gòu)即機(jī)器人構(gòu)型由n類模塊型組成（其中n≥2），異構(gòu)機(jī)器人的模塊種類較多，每種模塊有各自的功能，因此自由度個(gè)數(shù)與連接面?zhèn)€數(shù)都不相同，通常包括連接模塊、功能模塊與旋轉(zhuǎn)模塊。異構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)之時(shí)便具有相應(yīng)的針對(duì)性，為適應(yīng)某些特定功能的場(chǎng)景，犧牲了一定程度的互換性和通用性。因此，在已有的典型自重構(gòu)機(jī)器人原型中，大多數(shù)采用了同構(gòu)方式。

二是從模塊內(nèi)部運(yùn)動(dòng)副配置上可分為串聯(lián)式模塊和陣列式模塊兩種結(jié)構(gòu)類型。串聯(lián)式模塊一般不具有規(guī)則的外形設(shè)計(jì)，模塊內(nèi)置運(yùn)動(dòng)副，其重構(gòu)后可實(shí)現(xiàn)超冗余鏈?zhǔn)綐?gòu)型，依靠模塊間的靈活結(jié)合形式，可以完成抓取、蛇形、環(huán)形等鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，對(duì)不確定性環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。陣列式模塊一般具有規(guī)則的立方體或者六面體結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)時(shí)以整數(shù)倍的自身體積進(jìn)行移動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)方式便于使用計(jì)算機(jī)語言表達(dá)，模塊運(yùn)動(dòng)路徑中鄰居模塊的位置和狀態(tài)、模塊單元移動(dòng)方案中不同時(shí)刻的具體位置可根據(jù)模塊幾何外形進(jìn)行空間劃分和計(jì)算機(jī)語言描述。相對(duì)的，串聯(lián)式模塊機(jī)器人由于模塊外形和關(guān)節(jié)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，為模塊空間位置的計(jì)算和描述帶來了困難，不便于在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行建模和描述[10]。

2 模塊設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

2.1 串聯(lián)式同構(gòu)模塊設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

瑞士的Alexander Sproewitz等人設(shè)計(jì)了一種用來作為家具積木的模塊化機(jī)器人Room bots（R8）[11]，如圖1所示。RB的每個(gè)模塊都有3個(gè)自由度，可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)，沒有關(guān)節(jié)的限制，具有非常高的靈活度，同時(shí)每個(gè)接頭的斜式滑環(huán)允許電力傳輸和通信。但是該單元模塊沒有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力，重構(gòu)變形運(yùn)動(dòng)需在固定的底座上進(jìn)行。

丹麥技術(shù)大學(xué)提出了一種名為ATRON的雙子型模塊[12]，如圖2所示。這種模塊由相互對(duì)稱的兩部分組成，運(yùn)動(dòng)方式為中心鉸接型，這種模塊化機(jī)器人的自重構(gòu)過程由模塊內(nèi)部?jī)勺幽K間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，以模塊的中心為旋轉(zhuǎn)中心，子模塊間能發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，模塊間通過機(jī)械掛鉤的伸出與收回實(shí)現(xiàn)連接或分離。同時(shí)還提出了一種采用分布式控制策略的模塊化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在線學(xué)習(xí)策略，該種策略在可實(shí)現(xiàn)性、可重構(gòu)性、可伸縮性和生物合理性等方面更具有優(yōu)勢(shì)[13]。

天津理工大學(xué)葛為民等人研制了一種自重構(gòu)機(jī)器人模塊，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)[14]，如圖3所示。該機(jī)器人的單元模塊具有1個(gè)自由度，能通過U型外架和U型內(nèi)架實(shí)現(xiàn)3600的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作;其結(jié)構(gòu)還包含1個(gè)主動(dòng)對(duì)接裝置和5個(gè)被動(dòng)對(duì)接裝置，主動(dòng)對(duì)接裝置可通過4個(gè)鉤爪實(shí)現(xiàn)與其他模塊的對(duì)接動(dòng)作，并完成位置姿態(tài)的修正。該單元模塊具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力且非常靈活，并可通過不同重構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)型的轉(zhuǎn)換[15]。

河北工業(yè)大學(xué)的王曉峰等人設(shè)計(jì)了一種mobilemodular self-reconfigurable robot（M2 SBot）模塊機(jī)器人[16]，如圖4所示。其主要由兩個(gè)U塊和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成。這兩個(gè)U塊的形狀不同，分為外U框架和內(nèi)U框架。內(nèi)U框架可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)±90°，并且用于與其他模塊的主動(dòng)連接面對(duì)接。兩個(gè)模塊對(duì)接的過程中，當(dāng)距離在0.3m時(shí)，通過模塊上的紅外傳感器引導(dǎo)模塊相互靠近，當(dāng)距離小于30mm時(shí)，可通過磁鐵吸引來補(bǔ)償對(duì)接誤差。在達(dá)到設(shè)定距離后，關(guān)閉紅外傳感器，步進(jìn)電機(jī)由啟停機(jī)構(gòu)控制，通過微動(dòng)開關(guān)對(duì)連接面進(jìn)行對(duì)接，最后由一套基于正弦加速的槽型自動(dòng)對(duì)接鎖緊機(jī)構(gòu)完成鎖緊，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)接重構(gòu)。

美國(guó)的內(nèi)布拉斯加大學(xué)研制了一種ModularRobot for Exploration and Discovery（ModRED）機(jī)器人模塊[17-18]，如圖5所示。其主要應(yīng)用于城市搜救和探索未知環(huán)境。該機(jī)器人模塊的連接面上共安裝有4對(duì)紅外發(fā)射器和接收器，用以實(shí)現(xiàn)近距離傳感、定位和局部通信。ModRED機(jī)器人模塊具有4個(gè)自由度，2個(gè)主連接面和2個(gè)側(cè)連接面，便以重構(gòu)成更多的構(gòu)型。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉建功研制了一種名為E-MERGE的第二代模塊化機(jī)器人[19]，如圖6所示。該模塊結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體，具有4個(gè)連接面。與其他模塊不同的是，模塊間通過高頻電磁進(jìn)行連接，這種電磁連接工作方式具有簡(jiǎn)單快速等特點(diǎn)。模塊內(nèi)的電機(jī)具有一個(gè)自由度。第二代EMERG模塊機(jī)器人采用集成分布式和集中式控制方式，具備環(huán)境感知能力。由于模塊增加了主控芯片，該主控芯片具有控制器局域網(wǎng)絡(luò)的功能，同時(shí)還增加了控制模式切換單元與通信信號(hào)，因此第二代EMERG模塊間就可以實(shí)現(xiàn)自由通信，還可以靈活切換控制方式[20]。

福州大學(xué)的陳剛等人設(shè)計(jì)了一種自重構(gòu)仿生四足機(jī)器人[21]，如圖7所示。這種模塊化機(jī)器人具有3個(gè)自由度，模塊的結(jié)構(gòu)大小為150mm×110mm×110mm，由單元模塊機(jī)體結(jié)構(gòu)與連接結(jié)構(gòu)組合而成。機(jī)體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上擺70°，下擺70°，中間旋轉(zhuǎn)360°的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，且這3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)互相獨(dú)立。連接結(jié)構(gòu)包括主動(dòng)連接面與被動(dòng)連接面，可以安裝在任意擺桿上，通常被動(dòng)連接面與下擺桿通過插銷式連接，主動(dòng)連接面與上擺桿通過插銷式連接。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙思愷等人研發(fā)了一種模塊化可重構(gòu)外肢體機(jī)器人[22]，如圖8所示。該機(jī)器人的單元模塊由兩個(gè)完全相同的等腰直角三棱柱子模塊組成，每個(gè)子模塊都具有一個(gè)回轉(zhuǎn)平面與一個(gè)連接平面。回轉(zhuǎn)平面用于實(shí)現(xiàn)模塊間的連接轉(zhuǎn)動(dòng)，不同子模塊的回轉(zhuǎn)平面互相重合，依靠磁性實(shí)現(xiàn)相鄰模塊的快換連接。兩個(gè)子模塊成中心對(duì)稱分布，可以繞公共轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行-180°～180°的相互旋轉(zhuǎn)。連接平面用于模塊單元之間的連接。

南開大學(xué)的朱威等人設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)模塊化蛇形機(jī)器人[23]，如圖9所示。該機(jī)器人包括頭部模塊與身體模塊，頭部模塊只有一個(gè)偏航關(guān)節(jié)，身體模塊同時(shí)包含偏航和俯仰關(guān)節(jié)。連接時(shí)前一模塊尾部的鉤爪通過擋板的孔洞與后一模塊的插銷嚙合，完成主動(dòng)連接。

2.2 陣列式同構(gòu)模塊設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

美國(guó)康奈爾大學(xué)研制了一種名為Molecubes的模塊，如圖10所示。該模塊外形均為正方體，每個(gè)模塊均可被分割為兩部分，分割線為對(duì)角線。每個(gè)部分均具有三個(gè)連接面，通過位于中心的旋轉(zhuǎn)自由度連接。Molecubes模塊已經(jīng)發(fā)展到了第二代，第一代Molecubes模塊需要不斷供電來維持工作，因而只能在地面固定的底座上進(jìn)行運(yùn)動(dòng);而第二代Molecubes模塊采用了機(jī)電結(jié)合式的連接機(jī)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以更靈活的實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，但兩代模塊均沒有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力[24-25]。

日本的產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所研制并開發(fā)了一種名為Modular Transformer（M-TRAN）的雙子型模塊[26]，如圖11所示。這類模塊既可以通過連接或斷開相鄰模塊來形成復(fù)雜的鏈?zhǔn)交蚓Ц袷较到y(tǒng)，還可以獨(dú)立成小的機(jī)器人分別進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。相比于其他模塊設(shè)計(jì)，具有更為強(qiáng)大的靈活性與運(yùn)動(dòng)能力。每個(gè)M-TRAN模塊單元具有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和對(duì)稱分布的六個(gè)連接面。該機(jī)器人模塊已經(jīng)研制到第3代模型，M-TRAN的第1代和第2代模塊的連接裝置采用內(nèi)平衡磁鐵原理，M-TRAN的第3代模塊結(jié)構(gòu)的連接裝置采用由微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉤爪式結(jié)構(gòu)[27]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙杰等人研制了一種Uni-versal Robot（Ubot）單元模塊[28]，如圖12所示。該單元模塊主要采用萬向式的正方形立方體基本結(jié)構(gòu)，這種萬向式結(jié)構(gòu)可以使每個(gè)模塊都能靈活地完成重構(gòu)與協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)模塊均具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和四個(gè)連接面，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度可在士900的范圍內(nèi)繞直角軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)該主模塊的硬件連接控制機(jī)構(gòu)為兩個(gè)鉤爪，采用鉤爪式的設(shè)計(jì)可以靈活實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間地連接與斷開。但該單元模塊也不具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力[29]。

麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一種名為Momentum-driv-en Modular Robots（M-Block）的單元模塊[30]，這種模塊具有自主移動(dòng)的能力，如圖13所示。在模塊內(nèi)部設(shè)有飛輪用于存儲(chǔ)角動(dòng)量，制動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)飛輪減速，并在短時(shí)間內(nèi)對(duì)模塊施加大扭矩，當(dāng)扭矩足夠大，模塊就會(huì)打破它和周圍的磁鍵，轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置，從而實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)。單個(gè)模塊可以通過這種旋轉(zhuǎn)移動(dòng)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自主移動(dòng)，也可以在由相同模塊組成的三維網(wǎng)格上移動(dòng)，還可以在平面上實(shí)現(xiàn)所需的軌跡或向其他平面進(jìn)行凸凹過渡。2019年，麻省理工學(xué)院推出了升級(jí)后的機(jī)器人M-Blocks 2.0版本，各模塊化機(jī)器人之間通過類似條形碼的微型通信系統(tǒng)相互識(shí)別，從而配合完成簡(jiǎn)單任務(wù)[31]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱延河等人設(shè)計(jì)了一種Ser-emo機(jī)器人[32]，如圖14所示。Seremo機(jī)器人的每個(gè)模塊都是一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，自帶傳感器、執(zhí)行器、處理器、電池和通信手段，與其他機(jī)器人模塊相比，其可以像車輪系統(tǒng)一樣運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維平面的位移。Seremo機(jī)器人通過齒輪機(jī)構(gòu)控制車輪的轉(zhuǎn)向，并增大了回轉(zhuǎn)面積，使其可以準(zhǔn)確的變換所在位置，完成重構(gòu)，模塊之間依靠八個(gè)磁鐵實(shí)現(xiàn)連接。

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)研制出一種名為Hybridmodular robot（HyMod）的自重構(gòu)混合模塊化機(jī)器人[33]，該模塊也是可以實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，如圖15所示。HyMod單元模塊具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和4個(gè)連接器，每個(gè)單元可以通過差動(dòng)輪獨(dú)立移動(dòng)，并與其他單元組合形成任意立方晶格結(jié)構(gòu)。連接器通過在其外殼外伸出掛鉤來鎖住相反連接器的掛鉤，從而完成連接。HyMod機(jī)器人具有自行組裝能力與高效的模塊移動(dòng)性，可以在可重構(gòu)制造、搜索和救援以及空間探索領(lǐng)域使用。

上海交通大學(xué)的劉開元提出了一種立方形可重構(gòu)模塊化機(jī)器人[34]，如圖16所示。這種模塊為正方體結(jié)構(gòu)，每個(gè)面上都有一個(gè)連接接口，相對(duì)面上的兩個(gè)連接口是不同的，一個(gè)為主動(dòng)連接口即公頭，另一個(gè)為被動(dòng)連接口即母頭。當(dāng)兩模塊對(duì)接時(shí)，公頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)公頭與母頭周圍安裝有四個(gè)紅外定位裝置用于調(diào)整位姿，推動(dòng)母頭與公頭完成對(duì)接。該立方體模塊同樣無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，因此還設(shè)計(jì)了特殊基座，基座上均布有母頭，可以連接、支撐模塊以確保模塊穩(wěn)定對(duì)接。

中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所受到烷烴結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究了一種基于正構(gòu)烷烴的鏈?zhǔn)娇芍貥?gòu)模塊化機(jī)器人[35]，如圖17所示。甲烷間的連接可以看作是兩個(gè)正交運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，由此可將模塊化機(jī)器人的模塊單元設(shè)計(jì)為四自由度。根據(jù)化學(xué)鍵的形成原理，模塊單元的連接接口采用卡口連接方式，由兩個(gè)接口交互完成。

2.3 串聯(lián)式異構(gòu)模塊設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

美國(guó)加利福尼亞州帕洛阿爾托研究中心研制出了一種PolyBot可重構(gòu)機(jī)器人[36-37]，如圖18所示。該機(jī)器人由體節(jié)模塊和節(jié)點(diǎn)模塊兩種模塊組成。體節(jié)模塊具有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，由鉸接的關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn);節(jié)點(diǎn)模塊為六面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)面能夠與其他模塊對(duì)接。該機(jī)器人模塊的對(duì)接方式采用雌雄異體的軸孔式對(duì)接方式，并通過記憶合金的變形形成固定連接[38]。

Carnegie Mellon大學(xué)研發(fā)的Reconfigurablemodular manipulator system（RMMS）重構(gòu)機(jī)器人[39]由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊和多種尺寸的連桿模塊組成，如圖19所示。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，接口分為公接頭和母接頭兩種，通過接頭的配對(duì)實(shí)現(xiàn)與其他模塊的快速連接。RMMS不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性，而且實(shí)現(xiàn)了電氣、控制系統(tǒng)軟、硬件的可重構(gòu)性。其中，控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Chimera實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，并采用基于VME的主控制器和ARMbus的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了模塊之間的通訊。

加拿大ESI公司生產(chǎn)的Modular reconfigurablerobot-2（MRR-2）可重構(gòu)模塊機(jī)器人[40]如圖20所示。其模塊化設(shè)計(jì)思想意味著更容易定制，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊由永磁直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由諧波齒輪減速器減速和傳動(dòng)，由光電編碼器進(jìn)行位置反饋，并配備有行程開關(guān)、零位開關(guān)、急停按鈕、機(jī)械檔塊等安全裝置。不同功率的模塊尺寸不同，可應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。

南京航空航天大學(xué)的夏穎設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)模塊機(jī)器人[41]，如圖21所示。將可重構(gòu)機(jī)器人分為幾種功能模塊：運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊、操作功能模塊、連桿功能模塊與載荷功能模塊。運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的作用是為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，包含高精度大扭矩和普通類型的俯仰運(yùn)動(dòng)模塊、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)模塊、直線運(yùn)動(dòng)模塊與偏航運(yùn)動(dòng)模塊;操作功能模塊即為末端操作模塊，包括擦拭、通用抓取等功能模塊;連桿功能模塊起連接與支撐的作用，用于機(jī)器人本體的構(gòu)造，包括支架連桿與結(jié)構(gòu)支撐功能模塊，可重構(gòu)機(jī)器人可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行重構(gòu)組合。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種無線可重構(gòu)模塊化機(jī)器人[42]，如圖22所示。該可重構(gòu)機(jī)器人是由一個(gè)擬人化的七自由度機(jī)械手、一個(gè)可重構(gòu)連接機(jī)構(gòu)和一個(gè)無線控制器組成。每一個(gè)關(guān)節(jié)模塊的內(nèi)軸通過深溝球軸承支撐，其接頭處將鋼輪、彈性輪、諧波發(fā)生器分離來進(jìn)一步減小接頭的尺寸。該機(jī)器人的外部零件用螺釘組裝在一起，并用錐形銷定位，以防止旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生間隙，其輸出部件由單個(gè)十字滾子軸承支撐，減輕了重量，提高了關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)精度。

2.4 陣列式異構(gòu)模塊設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙陽等，在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，結(jié)合Cellular robotic system（CEBOT）的概念，提出了建立在全新系統(tǒng)化體系之下的空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)[43]，并給出了三種細(xì)胞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。他們提出，細(xì)胞是空間細(xì)胞機(jī)器人的最小組成單元，大致分為：關(guān)節(jié)細(xì)胞、功能細(xì)胞與間質(zhì)細(xì)胞。這種空間細(xì)胞機(jī)器人利用仿生學(xué)原理將重構(gòu)過程分為四個(gè)層次，即細(xì)胞、組織、器官至機(jī)器人，同時(shí)將多層次重構(gòu)理念運(yùn)用于個(gè)，這樣的設(shè)計(jì)可以使得對(duì)單一模塊種類的需求減少又提高了構(gòu)型的多樣性。其關(guān)節(jié)細(xì)胞如圖23所示。

圖22 一種無線式可重構(gòu)模塊化機(jī)器人

趙陽對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人的系統(tǒng)進(jìn)行完善后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的曹恩梽提出了空間細(xì)胞機(jī)器人的仿真模型并對(duì)其自組裝運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了研究[44]。該模塊采用了基于模型開發(fā)的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)出了間質(zhì)細(xì)胞模塊與關(guān)節(jié)細(xì)胞模塊的結(jié)構(gòu)。間質(zhì)細(xì)胞模塊由底部?jī)蓚€(gè)主動(dòng)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，依靠底部的萬向輪維持整體的平衡，通過兩個(gè)主動(dòng)連接面與兩個(gè)被動(dòng)連接面來與其他模塊進(jìn)行重構(gòu)。關(guān)節(jié)細(xì)胞模塊依靠?jī)蓚€(gè)直齒漸開線齒輪與錐形齒輪嚙合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過四個(gè)被動(dòng)連接平面來與其他模塊進(jìn)行重構(gòu)。同時(shí)在連接面的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了創(chuàng)新，采用了舵機(jī)、凸輪與彈簧管的組合，連接時(shí)舵機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為凸輪的行程，從而使得彈簧發(fā)生形變以完成主動(dòng)的連接動(dòng)作。這樣設(shè)計(jì)可以避免太空中失重或磁場(chǎng)紊亂對(duì)連接過程的影響，同時(shí)可以吧連接過程中的誤差控制在10mm內(nèi)。其間質(zhì)細(xì)胞模型與關(guān)節(jié)細(xì)胞模塊如圖24所示。

大型空間桁架結(jié)構(gòu)是大型空間飛行器的重要組成結(jié)構(gòu)，在大型空間任務(wù)中起到構(gòu)建、延展、固定支撐等重要作用，因此空間細(xì)胞機(jī)器人必須具有在桁架上攀爬移動(dòng)的能力以完成桁架的組裝。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的游斌弟團(tuán)隊(duì)在空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合在軌攀爬任務(wù)的需求提出了幾種細(xì)胞單元[45]，并對(duì)其進(jìn)行了基本描述。根據(jù)在軌桁架攀爬與組裝的要求，設(shè)計(jì)了連接細(xì)胞L、轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)胞B以及末端執(zhí)行器細(xì)胞S（攀爬時(shí)通常為手爪細(xì)胞），每個(gè)細(xì)胞的連接面均有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。這三種細(xì)胞的構(gòu)型表達(dá)如圖25所示。

西北工業(yè)大學(xué)的黃攀峰團(tuán)隊(duì)將細(xì)胞機(jī)器人的概念運(yùn)用到了衛(wèi)星中，在細(xì)胞衛(wèi)星概念的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)與接口兩部分問題進(jìn)行了闡述[46-48]。如圖26所示，該衛(wèi)星的設(shè)計(jì)理念主要為將衛(wèi)星按照功能進(jìn)行子系統(tǒng)拆分，拆分后的部分設(shè)計(jì)為具有標(biāo)準(zhǔn)接口的細(xì)胞，以便于進(jìn)行組裝。

3 自重構(gòu)模塊化機(jī)器人發(fā)展中的關(guān)鍵問題及未來展望

自重構(gòu)模塊化機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域新興的研究方向，也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來，隨著模塊化自重構(gòu)機(jī)器人從最初的概念設(shè)計(jì)發(fā)展到物理樣機(jī)和物理產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，這一過程經(jīng)歷了眾多研究者的研究和優(yōu)化[49]。自重構(gòu)模塊化機(jī)器人結(jié)構(gòu)的多樣性和靈活性引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注和研究，成為21世紀(jì)機(jī)器人研究的重要方向，

目前，自重構(gòu)模塊化機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。需要面對(duì)許多間題和挑戰(zhàn)。未來，自重構(gòu)機(jī)器人的模塊設(shè)計(jì)需要解決以下問題：

1）自重構(gòu)模塊化機(jī)器人主要由單元模塊組合而成。隨著單元模塊尺寸的逐漸減小，勢(shì)必帶來功能實(shí)現(xiàn)、能源供應(yīng)等問題。因此，如何解決模塊設(shè)計(jì)和性能平衡問題將是未來自重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究的一個(gè)重要方面。

2）面對(duì)不同的任務(wù)需求，如何實(shí)現(xiàn)模塊的快速設(shè)計(jì)，建立一種行之有效的模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將功能實(shí)現(xiàn)與基本模塊構(gòu)型相對(duì)應(yīng)，是今后自重構(gòu)機(jī)器人研究的一大方向。

3）模塊化思想不徹底，不能對(duì)模塊的功能表達(dá)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分“降解”、“減負(fù)”。

4）同構(gòu)機(jī)器人模塊完全相同，但首、末端模塊所需要的驅(qū)動(dòng)是不同的，這就造成了驅(qū)動(dòng)能力的浪費(fèi)，并且自重構(gòu)機(jī)器人多次重構(gòu)后，安裝誤差會(huì)相應(yīng)增加，這必然會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生影響。

依靠自重構(gòu)模塊化機(jī)器人靈活的自主變形能力與工作特性，越來越多傳統(tǒng)機(jī)器人無法解決的問題將被克服。除了傳統(tǒng)的制造業(yè)，其將更廣泛的應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中的消防救援、軍事偵察、海洋偵察、軍事和其他領(lǐng)域，并且隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，各科研高校機(jī)構(gòu)的不斷深入探索，未來自重構(gòu)模塊化機(jī)器人將更多應(yīng)用于空間在軌裝配、表面檢測(cè)、空間機(jī)械手、快換接口等工作。因此，未來很長(zhǎng)一段時(shí)間，自重構(gòu)模塊化機(jī)器人的研究將為航天工業(yè)的應(yīng)用而展開，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

本文綜述了自重構(gòu)模塊化機(jī)器人不同類別模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。同構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)為模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與重構(gòu)過程的運(yùn)動(dòng)控制較為簡(jiǎn)單，但因?yàn)闄C(jī)器人由同種模塊構(gòu)成，因此可形成的構(gòu)型有限且難以實(shí)現(xiàn)多層次重構(gòu)，從而導(dǎo)致不能完成很多復(fù)雜的任務(wù)。而異構(gòu)機(jī)器人可以重構(gòu)為實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人，且具有面向任務(wù)的構(gòu)型策略，具有可實(shí)現(xiàn)功能多的優(yōu)點(diǎn)，但重構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制更為復(fù)雜。串聯(lián)式模塊依靠模塊間的靈活結(jié)合形式，可以完成抓取、蛇形、環(huán)形等鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，對(duì)不確定性環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，但不便于在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行建模和描述。陣列式模塊運(yùn)動(dòng)時(shí)以整數(shù)倍的自身體積進(jìn)行移動(dòng)，便于使用計(jì)算機(jī)語言表達(dá)，但更受環(huán)境因素的限制。

總的來說，隨著自重構(gòu)模塊化機(jī)器人模塊多樣化的設(shè)計(jì)、工業(yè)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)的完成，自重構(gòu)機(jī)器人將在更多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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（編輯：溫澤宇）

收稿日期：2021-02-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52075134）;黑龍江省自然科學(xué)基金（LH2019E062）;黑龍江省普通高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（LGYC2018JC040）;黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（UNPYSCT-2017077）.

作者簡(jiǎn)介：戴野（1982-），男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師;

張啟昊（1996-），男，碩士研究生.

通信作者：高語斐（1997-），女，碩士研究生，E-mail：1479966035@qq.com.