隨著技術(shù)不斷發(fā)展革新，現(xiàn)實(shí)生活中的機(jī)器人也在不斷更新,，例如：工業(yè)機(jī)器人中的機(jī)械臂,、特種機(jī)器人中的無人機(jī)、農(nóng)業(yè)中的采摘機(jī)器人,、家庭中的服務(wù)機(jī)器人等都在不斷地進(jìn)化,，對(duì)于這些經(jīng)常看到的,，我們并不陌生,，那對(duì)于可重構(gòu)機(jī)器人是否也有所了解,？

什么是可重構(gòu)機(jī)器人,？官方語言：“可重構(gòu)機(jī)器人是一種可以根據(jù)任務(wù)或環(huán)境的變化而改變構(gòu)形的機(jī)器人,。通過對(duì)模塊進(jìn)行組合，可重構(gòu)機(jī)器人能夠簡(jiǎn)單快速的裝配成適合不同任務(wù)的幾何構(gòu)形,，這種組合不僅僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械重構(gòu),，還包括控制系統(tǒng)的重構(gòu)。重構(gòu)后的機(jī)器人不但能適應(yīng)新的工作環(huán)境和工作任務(wù),，而且具有很好的柔性”,。為了更深入的了解什么是可重構(gòu)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人大講堂特邀大然科技CTO唐昭博士為大家分享《機(jī)構(gòu)與機(jī)器人四肢》

唐昭博士天津大學(xué)博士,，大然科技有限公司CTO,，研究方向包括可重構(gòu)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)器人,、仿人靈巧手,。主要從事可重構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分岔路徑控制，變胞仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)及步態(tài)算法控制,、仿人靈巧機(jī)械手手指驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及控制的相關(guān)研究,，作為大然科技的首席技術(shù)官，帶領(lǐng)整個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)攻克了機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)難點(diǎn),，將變胞足式機(jī)器人相關(guān)技術(shù)落地到教育娛樂及特種應(yīng)用場(chǎng)景中,。

唐博士主要從以下五方面為大家做精彩分享：

1. 什么是機(jī)構(gòu),，可重構(gòu)機(jī)構(gòu)

2. 機(jī)構(gòu)的歷史以及未來發(fā)展趨勢(shì)

3. 變胞仿生四足機(jī)器人

4. 仿人靈巧手

5. 機(jī)器人手,、足發(fā)展現(xiàn)狀以及產(chǎn)業(yè)落地的相關(guān)思考

機(jī)構(gòu)這個(gè)詞對(duì)大家來說并不陌生,，那什么是機(jī)構(gòu)呢,？機(jī)構(gòu)是一種實(shí)現(xiàn)力和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的裝置，以下列兩個(gè)圖為例：左圖的是一種齒輪機(jī)構(gòu)，他的功能是將輸入的扭矩從左邊的齒輪傳到右邊的齒輪,，實(shí)現(xiàn)力的傳遞,；右圖是一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，他是給定的轉(zhuǎn)動(dòng)的輸入,，它輸出的是一個(gè)特定的曲線,，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。生活中關(guān)于機(jī)構(gòu)的事物也是很常見的,，像老式的壓水機(jī),、折疊座椅、折疊電動(dòng)門等,。

大家是否有個(gè)疑惑,，機(jī)構(gòu)與機(jī)械是否一樣，它們倆之間存在著怎樣的關(guān)系,？以瓦特蒸汽機(jī)舉例：瓦特蒸汽機(jī)中有一個(gè)氣缸,，在這氣缸中實(shí)現(xiàn)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，轉(zhuǎn)換后輸出的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng),，而我們想要的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),，如何達(dá)到我們理想中的狀態(tài)呢？可以在蒸汽機(jī)中加入四桿機(jī)構(gòu),，將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連續(xù)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng),，從這個(gè)例子中我們可以看出，機(jī)構(gòu)是機(jī)械的組成部分,，一個(gè)機(jī)械里面會(huì)包含一個(gè)或者多個(gè)機(jī)構(gòu),，而機(jī)構(gòu)決定了機(jī)械的運(yùn)行原理。

對(duì)于機(jī)構(gòu)來說有一個(gè)很重要的性質(zhì)就是他的活動(dòng)度,，什么是活動(dòng)度,？我們可以將活動(dòng)度簡(jiǎn)單理解為我需要多少個(gè)電機(jī)去控制它，如何求得活動(dòng)度呢,？套用相應(yīng)的公式得出的結(jié)果就是活動(dòng)度,，也就是電機(jī)的個(gè)數(shù)。

四桿機(jī)構(gòu) 

隨著歷史的發(fā)展,，人們又陸陸續(xù)續(xù)的發(fā)現(xiàn)了其他的機(jī)構(gòu),，比較著名的有Sarrus linkage、Bricard linkage以及Bennett linkage等,，這些機(jī)構(gòu)有個(gè)特點(diǎn)就是將其帶入到求活動(dòng)度的公式,，得出的結(jié)果是0或者是負(fù)數(shù)，但是又是可以運(yùn)動(dòng)的,，例如下圖的Bricard linkage所示：

Bricard linkage

以上這種求得活動(dòng)度為0,，實(shí)際效果為1的機(jī)構(gòu)，我們成為過約束機(jī)構(gòu)，除了這種機(jī)構(gòu)還有另外一種機(jī)構(gòu),，這種機(jī)構(gòu)具有多種轉(zhuǎn)換模式,，就像我們剛剛說起的，機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)力和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換,，對(duì)于常規(guī)機(jī)構(gòu)來說,，只有一種特定的運(yùn)動(dòng)模式，而對(duì)于可重構(gòu)機(jī)構(gòu)來說具有多種模式,，從以下四張圖看出都屬于一種機(jī)構(gòu),，擁有多種運(yùn)動(dòng)形式和特征，這種機(jī)構(gòu)就稱為可重構(gòu)機(jī)構(gòu),。

Branch I   

 Branch II

Branch III  

Branch IV

可重構(gòu)機(jī)構(gòu)大致分為以下三種

☆運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：通過奇異位型,，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)度的永久性改變

☆變胞機(jī)構(gòu)：在運(yùn)動(dòng)的過程中，有效的桿件數(shù)目會(huì)發(fā)生改變,，具體的實(shí)現(xiàn)方式可以通過奇異構(gòu)型或其他方式,。

☆變量拓?fù)錂C(jī)構(gòu)：通過關(guān)節(jié)的幾何特征的變化實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變

對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)來說，它的構(gòu)型分支是固定的,，轉(zhuǎn)換的形式也比較單一,，但是 對(duì)于可重構(gòu)機(jī)構(gòu)來說，不同的構(gòu)型分支具有多條,，而且是相對(duì)獨(dú)立的,，沒有必然的聯(lián)系，他們唯一的共同特征就是不同的構(gòu)型分支之間必須通過奇異構(gòu)型完成相互轉(zhuǎn)換,，基于這個(gè)特征我們提出了基于分叉構(gòu)型的可重構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,，具體的步驟就是我們?cè)O(shè)計(jì)出奇異構(gòu)型，再設(shè)計(jì)奇異構(gòu)型的同時(shí),，讓其滿足多種幾何條件的約束,。

可重構(gòu)機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)構(gòu)型分支的切換一定要經(jīng)過分叉構(gòu)型，對(duì)于下圖為例：

平面構(gòu)型: 3個(gè)活動(dòng)度

分岔構(gòu)型：4個(gè)活動(dòng)度

Sarrus類構(gòu)型：2個(gè)活動(dòng)度

左邊是一個(gè)平面構(gòu)型分支,，如果想變到右邊的Sarrus linkage,，需要經(jīng)過分叉構(gòu)型，這時(shí)分叉構(gòu)型的活動(dòng)度一般都是大于構(gòu)型分支的活動(dòng)度,。

傳統(tǒng)情況下是添加電機(jī)來實(shí)現(xiàn)分支之間的轉(zhuǎn)換,，但是當(dāng)轉(zhuǎn)換完成之后，電機(jī)會(huì)處于一種限閑置的狀態(tài),，這樣便造成了資源的浪費(fèi),。為此，我們提出的研究目標(biāo),，在不增加額外電機(jī)的情況下來實(shí)現(xiàn)構(gòu)型分支的切換,。

基于目標(biāo)提出的研究步驟：

1. 分析分岔構(gòu)型相連的幾個(gè)構(gòu)型分支,，找到他們之間的差異

2. 探究外部因素對(duì)這些構(gòu)型分支的影響

3. 結(jié)合內(nèi)外因素,，綜合得出驅(qū)動(dòng)策略,，來實(shí)現(xiàn)分岔構(gòu)型控制

變胞四足機(jī)器人的靈感來源于自然界中的足式動(dòng)物，特點(diǎn)是在世界各地都會(huì)看到格式各樣的動(dòng)物,，但是經(jīng)過總結(jié),，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來看可分為三種類型：哺乳類、爬行類,、昆蟲類,，這個(gè)三種類型的差異在于：

☆身體的形態(tài)以及活動(dòng)度

☆ 腿的相對(duì)位置

☆腿關(guān)節(jié)的軸線姿態(tài)

以下是傳統(tǒng)的機(jī)器人，都是模仿某種特定的動(dòng)物：

在我們擁有可重構(gòu)機(jī)構(gòu)后,，我們是否可以利用可重構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出的機(jī)器人能夠模仿多種形態(tài)的動(dòng)物,，將不同生物類的特點(diǎn)結(jié)合到一起，基于這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo),，我們對(duì)此機(jī)器人的軀干進(jìn)行分析所需的條件：

☆必須滿足重構(gòu)機(jī)構(gòu),，因?yàn)樯眢w形態(tài)的不同需要實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)性   

☆活動(dòng)度的不同，因?yàn)槊總€(gè)生物都有自己特定的活動(dòng)度

☆需要有對(duì)稱性   

根據(jù)以上條件所設(shè)計(jì)出滿足要求的變胞機(jī)構(gòu),，變胞機(jī)構(gòu)是根據(jù)Sarrus linkage延伸而來的,，Sarrus linkage 是能夠?qū)?huì)轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)是由兩條支鏈組成,，每條支鏈由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成,，它的約束條件件如下圖：

Sarrus linkage

如何打破這個(gè)約束條件？可將動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)一分為二,，用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接起來,，這轉(zhuǎn)動(dòng)副又是共線的，這樣的話既可以實(shí)現(xiàn)Sarrus linkage機(jī)構(gòu)直線的移動(dòng),，還可以繞共線的轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行旋轉(zhuǎn),，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)α≠Kπ的條件就會(huì)打破，如下圖：

Sarrus linkage

 Metamorphic 8-bar linkage

基于變胞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的變胞機(jī)器人,，變胞機(jī)器人可對(duì)身體重構(gòu)實(shí)現(xiàn)蜘蛛,、螳螂、狗三種生物的仿生（圖1）,。當(dāng)這個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)完成后還需要分析它的機(jī)構(gòu)特性,，然后將其各個(gè)構(gòu)型分支分析清楚，找到合適的方法來實(shí)現(xiàn)控制（圖2）,。我們這邊還用的方法是高階運(yùn)動(dòng)學(xué)采用的方法,，分析每條不同的構(gòu)型分支，將多個(gè)構(gòu)型分支進(jìn)行組合,，得到構(gòu)型空間示意圖（圖3）,，來規(guī)劃一種仿生到另一種仿生切換的路徑,，這樣就可以避免一些奇異構(gòu)型。經(jīng)過構(gòu)型空間中存在一些不滿足條件而不想要的構(gòu)型分支,，如何去除這些構(gòu)型分支呢,？我們可設(shè)計(jì)一些特有的裝置，當(dāng)構(gòu)型經(jīng)過那個(gè)構(gòu)型分支的分叉點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)鎖死,，這樣就防止實(shí)現(xiàn)該構(gòu)型,。

圖1 可仿生三種生物結(jié)構(gòu)圖

The 1ST and 2ND  order cone:

面朝大海

春暖花開

圖2 機(jī)構(gòu)分析示意圖

圖3 機(jī)構(gòu)空間圖

圖4構(gòu)型分支控制裝置圖

仿人靈巧手的靈感來自于折紙機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)理念就是將變胞機(jī)構(gòu)作為靈巧手的手掌,，傳統(tǒng)的機(jī)械手大多都是采用的剛性手掌,，而我們這邊運(yùn)用到變胞機(jī)構(gòu)的話，可以改變手指之間的位置與姿態(tài),，這樣的話,，可以通過重構(gòu)提高抓取物品不同的尺寸和類型適應(yīng)性。

在新一代變胞仿人靈巧手的設(shè)計(jì)中,，采用最新的變胞機(jī)構(gòu),，特點(diǎn)是通過兩塊構(gòu)型空間的兩點(diǎn)連接，當(dāng)進(jìn)行抓取物體時(shí),，可以通過兩塊構(gòu)型空間中的任意一塊來適應(yīng)物體,。

機(jī)器人手、足發(fā)展現(xiàn)狀以及產(chǎn)業(yè)落地的相關(guān)思考,，機(jī)器人對(duì)于動(dòng)物或人的模仿形成足式機(jī)器人,，都是屬于移動(dòng)功能。真正影響其大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用的因素分為以下幾點(diǎn)：

從以上幾點(diǎn)我們可以總結(jié)出：

對(duì)于傳感器來說以逐漸成熟,，用在足式機(jī)器人的傳感器有壓力傳感器,，還有身體上的陀螺儀傳感器，用在導(dǎo)航上視覺方面的,，有激光雷達(dá)或深度相機(jī)等,，從這些可以看出傳感器的發(fā)展情況，已經(jīng)可以滿足足式機(jī)器人的應(yīng)用,；穩(wěn)定性,、互載與智能程度也基本滿足現(xiàn)在的需求，但是在續(xù)航方面有所欠缺,，時(shí)間僅僅只能達(dá)到1~2小時(shí),，有些甚至還到不了1個(gè)小時(shí)，另外一個(gè)限制因素就是成本太高,，市場(chǎng)中不管是浙大的“絕影”,，還是宇樹科技的萊卡狗都在十萬以上。

機(jī)械手市場(chǎng)落地的新因素：

目前最制約的機(jī)械手的是智能程度,，傳統(tǒng)的人工智能技術(shù)在手的應(yīng)用上還是比較少的,，傳感器的要求也是相當(dāng)高的,，機(jī)械手的傳感器不同于足式傳感器，是需要具有感知的,，在抓取某一物件時(shí),，是需要視覺與機(jī)械臂相互結(jié)合的，在沒有視覺的情況下只能通過傳感器的觸覺感知來獲取物品的信息,。

現(xiàn)在絕大部分機(jī)械手基本上都是使用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式,，但是人手顯然不是,，人手是通過肌肉的拉伸運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng),，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)會(huì)制約手的靈活性，力量等,。機(jī)械手大規(guī)模應(yīng)用的前提,，只能等到智能技術(shù)成熟，才可以在操作方面進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用,。

足式機(jī)器人最好的應(yīng)用場(chǎng)景是特種應(yīng)用,，什么是特種應(yīng)用？無人機(jī)無人車無法對(duì)此場(chǎng)景進(jìn)行滿足時(shí),，才是足式機(jī)器人最好的應(yīng)用場(chǎng)景,，這樣才能把足式機(jī)器人的價(jià)值最大化。

不管是對(duì)于足式機(jī)器人還是靈巧手,，對(duì)于新型驅(qū)動(dòng)的要求都是格外強(qiáng)烈,，現(xiàn)在用到的都是電機(jī)，但是電機(jī)在應(yīng)用中也會(huì)存在很大制約性,，對(duì)于足式機(jī)器人來說就制約了續(xù)航的時(shí)間,，對(duì)于靈巧手而言是限制了靈活性。最好的是直接由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能轉(zhuǎn)換的材料,，例如：電制伸縮材料,。

總的來說無論是足式機(jī)器人還是機(jī)械臂在單一的情況還是發(fā)揮不了更大的優(yōu)勢(shì)，只有兩者結(jié)合時(shí)才能取得進(jìn)步,，取長補(bǔ)短獲得新的突破,。