演繹inSite第二十九期節(jié)目

可重構(gòu)的機(jī)器人設(shè)計(jì)

白國超

英國帝國理工學(xué)院助理研究員

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白國超 @ 演繹 inSite 演講視頻：

以下為白國超演講文字稿：

（根據(jù)演講現(xiàn)場整理，基于原意有所刪減,，完整版請看視頻）

大家好,，我叫白國超，我是知行高科 (北京) 科技有限公司和知行機(jī)器人科技 (蘇州) 有限公司的創(chuàng)始人兼 CEO,，我今天演講的題目是：可重構(gòu)的機(jī)器人設(shè)計(jì),。

機(jī)器人未來發(fā)展趨勢

可重構(gòu)機(jī)器人其實(shí)是一類新興的機(jī)器人。機(jī)器人,，我想大家都非常熟悉,，主要可以分為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人就是應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的機(jī)器人,，比如在特斯拉新能源汽車生產(chǎn)中的裝配型機(jī)器人,、具有更高的安全性的協(xié)作型機(jī)器人；除了工業(yè)機(jī)器人之外的所有機(jī)器人,，都叫服務(wù)機(jī)器人,，比如非常可愛的 Pepper 機(jī)器人,，它能夠與人進(jìn)行對話,、溝通，并且也能伸伸懶腰等,，做一些非常搞怪的動(dòng)作,，還有我們中國用在月球探索中的一個(gè)機(jī)器人，叫玉兔機(jī)器人,。

圖 | 裝配機(jī)器人（來源：特斯拉）

如何設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)機(jī)器人呢,？首先我們要知道，機(jī)器人其實(shí)是由五部分組成的,，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu),；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是機(jī)器人的骨骼,；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),，是機(jī)器人的肌肉；控制系統(tǒng),，是機(jī)器人的大腦,；感知系統(tǒng),，是機(jī)器人的神經(jīng)。有了這五部分就可以開發(fā)出一款機(jī)器人,。

剛才我們說的都是傳統(tǒng)的機(jī)器人或者工業(yè)型機(jī)器人的主要組成部分,，那未來機(jī)器人的主要的研究和發(fā)展趨勢有哪些呢？經(jīng)過大量的研究我們發(fā)現(xiàn),，機(jī)器人應(yīng)用,、研究、開發(fā)主要有八個(gè)方向,。

第一個(gè)就是仿生技術(shù),，動(dòng)畫中顯示的像蛇一樣的機(jī)器人可以穿越非常狹窄的空間，并且能夠做一些焊接工業(yè)場景下的工作,，這樣就能適合更加復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境,。

第二個(gè)機(jī)器人是英國的 shadow 公司開發(fā)的五指仿人手的機(jī)器人，配合人工智能領(lǐng)域的 OpenAI 開發(fā)的智能算法,，實(shí)現(xiàn)像人手一樣靈活地翻轉(zhuǎn)木塊,，如果在機(jī)器人手的末端加上傳感器，我們就可以開發(fā)出一個(gè)具有更高的靈活性,，并且能精確感知的機(jī)器人,，即使是草莓一樣軟的物體，也能夠非常精確地抓取,。

另一個(gè)發(fā)展趨勢就是今天我們演講的主題,，模塊化可重構(gòu)的機(jī)器人，這種機(jī)器人可以根據(jù)周圍環(huán)境的變化自組織,，然后適應(yīng)環(huán)境的變化,，接下來重點(diǎn)介紹一下未來發(fā)展趨勢中的可重構(gòu)的機(jī)器人。

圖 | 六足機(jī)器人（來源：Disney Research）

這是迪斯尼研究院開發(fā)的一款機(jī)器人,，它是一個(gè)六足的機(jī)器人,，這個(gè)六足機(jī)器人主要包含兩部分，第一部分是它的控制器和控制芯片,，包括它的動(dòng)力源,、電源、電池,，這是它的控制決策核心,；另一部分是六條相同的腿，每條腿有三種不同的運(yùn)動(dòng)模式,，這三種不同的運(yùn)動(dòng)模式加上控制器,，組成的機(jī)器人就會有各種各樣的運(yùn)動(dòng)模式，總共可以實(shí)現(xiàn)七百多種不同模式的運(yùn)動(dòng),。

圖 | 每條腿有三種不同的運(yùn)動(dòng)模式（來源: Disney Research）

一條腿也能自主運(yùn)動(dòng),，加上第二條腿可以匍匐前進(jìn),，六足機(jī)器人可以像蜘蛛一樣爬行，如果去掉其中的兩個(gè)足也能實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),，這就是一個(gè)非常典型的可重構(gòu)機(jī)器人,。

圖 | 可以像蜘蛛一樣爬行（來源：Disney Research）

可自適應(yīng)周圍環(huán)境

可重構(gòu)機(jī)器人具有模塊化、多模式,、可重構(gòu),、自適應(yīng)這四個(gè)特點(diǎn)，用一句話來解釋就是,，通過模塊化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)和功能模式的重構(gòu),，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)周圍的環(huán)境,。我近十年的研究工作經(jīng)歷，都是圍繞可重構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行的,，比如這個(gè)是我在國內(nèi)博士期間開發(fā)的雷達(dá)校準(zhǔn)衛(wèi)星,。

首先介紹一下可重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)的第一個(gè)特點(diǎn)，模塊化,。這是兩款模塊化的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu),，第一個(gè)是可展的多面體，第二個(gè)是模塊化的帳篷,。

圖 | 模塊化機(jī)構(gòu)（來源：白國超, 陳萋. 一種通用大跨度可擴(kuò)展快速展開折疊帳篷及展開折疊方法. 發(fā)明專利,，CN 106812376 A）

可展多面體其實(shí)是我們用模塊化的單元，再加上一套系統(tǒng)的可展多面體的設(shè)計(jì)方法,，可以形成立方體,、十二面體、二十面體甚至圖中所示的三十二面體,，足球形狀的整體可展結(jié)構(gòu),。這是我們開發(fā)的航空航天領(lǐng)域的一款雷達(dá)校準(zhǔn)衛(wèi)星，可以在發(fā)射之前折疊成一個(gè)五十厘米直徑的球形結(jié)構(gòu),，發(fā)射到軌道之后再打開,，形成一個(gè)八倍的放縮比，打開之后直徑能達(dá)到四米,。

另一個(gè)是模塊化折疊帳篷,，大家都知道其實(shí)每年夏天都會面臨各種各樣的自然災(zāi)害，在地震,、洪災(zāi)之后最重要的一件事就是給災(zāi)民一個(gè)像家一樣溫暖的住所,，我們開發(fā)的模塊化折疊帳篷就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，它能夠在五分鐘之內(nèi)將迅速打開,，形成房子一樣的建筑,，現(xiàn)在也已經(jīng)列入民政部救災(zāi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里,。

我們怎么樣才能設(shè)計(jì)這樣一個(gè)可折疊的折疊帳篷或者雷達(dá)校準(zhǔn)衛(wèi)星呢？我分為四步來介紹,，第一步是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析,，主要分析單元內(nèi)部、連桿之間的連接關(guān)系和可能的演化過程,，這里是用矩陣的方式來分析整個(gè)演化過程,。

第二步是機(jī)構(gòu)分析，主要分析這個(gè)單元從最小折疊狀態(tài)到最大折疊狀態(tài)的放縮比,，怎么樣能讓它的放縮比達(dá)到最大,，綜合的過程其實(shí)是實(shí)現(xiàn)多種類型的可展多面體的方法，我們也可以通過軟件對其進(jìn)行仿真,，迅速地搭建我們想要的多面體,。

最后，因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)的是一款衛(wèi)星,，所以需要把它發(fā)射到太空中進(jìn)行發(fā)射之前的試驗(yàn),，也就是在地球環(huán)境下，進(jìn)行一個(gè)無重力試驗(yàn),。

圖 | 模塊化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟 

剛才講的是模塊化設(shè)計(jì)的技術(shù)以及設(shè)計(jì)方法,，接下來講一下多模式的開發(fā)及設(shè)計(jì)。這里主要介紹兩款機(jī)器人,，一款是我在蒙特利爾大學(xué)開發(fā)的微型單足機(jī)器人,，這個(gè)機(jī)器人非常小，它的高度只有 75 毫米,，不到 10 厘米,，但其實(shí)它有很多的運(yùn)動(dòng)模式，比如可以非常穩(wěn)健地步行,、做跳躍運(yùn)動(dòng),、翻滾，并且遇到障礙物之后還能自主地糾正自己的方向,，然后繼續(xù)之前的運(yùn)動(dòng),，這其實(shí)就是一種運(yùn)動(dòng)模式可變的機(jī)器人。

圖 | 微型單足機(jī)器人（來源：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.）

另一款是自適應(yīng)機(jī)器人手,，它可以通過改變抓取物體的模式,，從而適應(yīng)于不同尺寸、不同形狀的物體,。人的手非常靈活的,，能做很多的工作,，怎么樣才能做一個(gè)機(jī)器人手來模仿人手的功能,？當(dāng)然我們所做的是模仿人手的功能,，而不是模仿人手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，現(xiàn)在有很多是模仿人手但我們考慮的是人手的功能。

圖 | 自適應(yīng)機(jī)器人手（來源：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.）

通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人手在抓取物體的過程中百分之九十以上都是靠指端的抓取，指端的靈巧程度決定了我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人靈活度和抓取物體的種類的范圍,。我們通過分析和綜合的方法，設(shè)計(jì)出了第一代,、第二代,、第三代的一系列自適應(yīng)機(jī)器人末端執(zhí)行器。

在整個(gè)分析和綜合的過程中,，首先我們對人手抓取物體做了一個(gè)詳細(xì)的分析,，比如人手抓非常小的物體的時(shí)候，是用拇指和食指并攏,，然后用鑷子的形狀去抓取,，抓取一般物體的話，我們是用兩個(gè)手指平面接觸物體去抓取,。

我們首先用樂高積木搭建了一個(gè)類似功能的機(jī)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)像人手一樣做微小物體和一般物體的抓取功能,，接著進(jìn)行尺寸綜合,。因?yàn)槲覀円O(shè)計(jì)一款手，既能抓微小物體又能抓一般物體,，所以需要界定一個(gè)抓取物體的范圍,，比如 6 毫米以內(nèi)的物體是微小物體，6 毫米到 110 毫米是一般物體,，這樣設(shè)計(jì)出來的手,，到最后就能夠做到實(shí)現(xiàn)精確范圍的抓取。

（來源：白國超）

這是我們比較擅長的工作,，就是精確地設(shè)計(jì)一款機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)我們想要的功能,，這個(gè)過程叫做機(jī)構(gòu)綜合。綜合完機(jī)構(gòu)之后還需要了解,，我們?nèi)绾文軌蝌?qū)動(dòng)這個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取,，這叫機(jī)構(gòu)分析，我們是通過一些分析軟件來實(shí)現(xiàn),。

這個(gè)兩指的自適應(yīng)機(jī)器人手,，也具有可重構(gòu)的功能，接下來介紹一下可重構(gòu)的特點(diǎn),。變形輪和動(dòng)態(tài)雕塑是我在英國期間開發(fā)的兩款樣機(jī),，變形輪其實(shí)是 16 年的國際機(jī)構(gòu)與機(jī)器人設(shè)計(jì)競賽中的一款獲獎(jiǎng)作品，其實(shí)變形輪和動(dòng)態(tài)雕塑的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一樣的，非常有規(guī)律性,。

（來源：白國超）

動(dòng)態(tài)雕塑,，是在蘇格蘭國家博物館展覽半年的一個(gè)未來機(jī)器人樣機(jī)，整個(gè)的設(shè)計(jì)過程也是分為這四步,，對于設(shè)計(jì)開發(fā)來說,，3D 設(shè)計(jì)和 3D 制造是非常簡單，因?yàn)槲覀冇斜容^發(fā)達(dá)的設(shè)計(jì)軟件,，還有比如 3D 打印機(jī)等的加工方式,，能夠很快讓我們的模型做出來，但其實(shí)我們的核心是在第一和第二步,，也就是拓?fù)溥x擇和分析綜合這一過程,。

這個(gè)的拓?fù)溥x擇是我在做過約束機(jī)構(gòu)的分析研究過程中發(fā)現(xiàn)的，這里是整個(gè)分析下來所有的運(yùn)動(dòng)鏈,，然后通過這個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的分析發(fā)現(xiàn),，其中的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)怯蟹浅Ｏ嘟奶攸c(diǎn)的，比如圈中畫的這兩個(gè),，一個(gè)是由三個(gè)四邊形經(jīng)過串聯(lián)組成了一個(gè)環(huán),，第二個(gè)是四個(gè)四邊形組成的環(huán)。其實(shí)是有規(guī)律的,，如果是五個(gè)四邊形是不是也可以組成環(huán),，六個(gè)四邊形或者七個(gè)甚至更多，都可以有這樣一個(gè)相同的規(guī)律,，利用這個(gè)規(guī)律我們開發(fā)出了這么一個(gè)機(jī)構(gòu),。

圖 | 運(yùn)動(dòng)鏈（來源：ssGuochao Bai. Adaptive and Reconfigurable Robotic Gripper Hands with a Meso-Scale Gripping Range. PhD thesis. 2017）

當(dāng)然，剛才那個(gè)機(jī)構(gòu)其實(shí)嚴(yán)格意義上是一個(gè)不可動(dòng)的機(jī)構(gòu),，是一個(gè)過約束機(jī)構(gòu),，但是如果我們將其中的四邊形變成平行四邊形就可以讓其運(yùn)動(dòng)，之后我們又進(jìn)一步地詳細(xì)設(shè)計(jì)開發(fā)出了這個(gè)變形輪,，這是最終加上驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之后的變形輪,。