張 巖，王 晴，康永霖，豆小超，丁宇鵬，王亞彬

(河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

21世紀(jì)以來，機(jī)器人技術(shù)在軍事偵察、勘探勘測、醫(yī)療服務(wù)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防科技進(jìn)步具有重要意義。傳統(tǒng)機(jī)器人由于特定的結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)動(dòng)形式，可以實(shí)現(xiàn)高速、精確、可重復(fù)位置等任務(wù)[1]。但是，這些機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力低、自行復(fù)原能力較弱而且并不具有自我變形的能力，因此只能在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作。上述缺陷也影響著傳統(tǒng)機(jī)器人在動(dòng)態(tài)、未知、非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境領(lǐng)域中的使用，如軍事偵查、災(zāi)害救助和科學(xué)監(jiān)測等[2]。

在自重構(gòu)機(jī)器人長時(shí)間重復(fù)使用中，往往出現(xiàn)模塊連接不牢固、發(fā)熱等問題，限制了機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境，嚴(yán)重影響了其在搶險(xiǎn)救災(zāi)等狹小、不確定環(huán)境中的應(yīng)用[3]。近年來，自重構(gòu)機(jī)器人以其工作中的穩(wěn)定高效運(yùn)行為目標(biāo)，對部分關(guān)鍵技術(shù)提出了進(jìn)一步要求，人們的研究方向從整體向細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)變。本文對當(dāng)前自重構(gòu)機(jī)器人所取得的主要研究成果進(jìn)行綜述，歸納總結(jié)自重構(gòu)機(jī)器人連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、重構(gòu)算法的高效性與重構(gòu)過程的快速性3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，討論自重構(gòu)機(jī)器人的應(yīng)用發(fā)展趨勢，并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 模塊化自重構(gòu)機(jī)器人簡介

圖1 自重構(gòu)機(jī)器人Fig.1 Self-reconfigurable robot

模塊化的可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)是由至少若干只具備1個(gè)簡單運(yùn)算功能單元的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)模塊組成起來的，其中每一標(biāo)準(zhǔn)模塊都是指一種高度自治化的機(jī)械電子單元系統(tǒng)[4]，如圖1所示，它必須具備機(jī)器人獨(dú)立的自主運(yùn)動(dòng)、計(jì)算能力和計(jì)算機(jī)通信能力。大量的功能結(jié)構(gòu)相同、具有滿足一定人類認(rèn)知學(xué)習(xí)能力要求的智能模塊之間通過一種自重構(gòu)算法進(jìn)行連接和組合，構(gòu)成一個(gè)自重構(gòu)模塊智能機(jī)器人。目前最具優(yōu)勢的特點(diǎn)之一是它能夠?qū)崿F(xiàn)在幾乎沒有任何外界條件干涉的條件下，利用智能模塊系統(tǒng)之間的相互主動(dòng)連接和分離，自動(dòng)地調(diào)整其系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境，完成任務(wù)[5]。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology

按照模塊間連接的拓?fù)錁?gòu)造，可以把模塊化自重構(gòu)機(jī)械人分成串聯(lián)式、陣列式、混合式[6]3種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在串聯(lián)式、陣列式和混合式3種結(jié)構(gòu)中，由于串聯(lián)式構(gòu)造較簡單，因此機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制也就相對地很簡便且穩(wěn)定性也較高，只是在復(fù)雜的環(huán)境作業(yè)中常發(fā)生故障；陣列式的結(jié)構(gòu)機(jī)器人構(gòu)型在運(yùn)動(dòng)控制方面較為繁瑣,在運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃方面也加大了難度。根據(jù)上述2種機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)出了混合式自重構(gòu)機(jī)器人，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單且適應(yīng)工作環(huán)境能力較強(qiáng)，在自重構(gòu)機(jī)器人近幾年乃至將來的發(fā)展過程中，越來越受到人們的青睞，并在災(zāi)難救援、空間探測、管道檢測等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

表1從機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、單/多方位系統(tǒng)、同/異構(gòu)、連結(jié)結(jié)構(gòu)等方面總結(jié)了近年來國內(nèi)外關(guān)于自重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的研究成果。國內(nèi)外自重構(gòu)機(jī)器人發(fā)展迅速，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面自重構(gòu)機(jī)器人由最初的串聯(lián)式、陣列式逐漸趨向于混合式；模塊的連接方位逐漸趨向于有多個(gè)連接面的多方位系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)功能上也趨向模塊結(jié)構(gòu)功能相同的同構(gòu)機(jī)器人。

表1 國內(nèi)外關(guān)于自重構(gòu)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)方面的研究成果Tab.1 Domestic and foreign research results on key technologies of self-reconfigurable robots

2 模塊化自重構(gòu)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述

2.1 自重構(gòu)機(jī)器人連結(jié)結(jié)構(gòu)研究

連接結(jié)構(gòu)是自重構(gòu)機(jī)器人的關(guān)鍵組成之一，機(jī)器人模塊在重構(gòu)過程中相互的連接和可控分離，以及機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中相鄰模塊的穩(wěn)固連接、自重構(gòu)功能，都與模塊間連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。但因?yàn)楦鱾€(gè)模塊化機(jī)器人研究的側(cè)重點(diǎn)和要求不同，其連接結(jié)構(gòu)的裝置設(shè)計(jì)形式便具有了多樣性，如機(jī)械式、電磁式、機(jī)械-電磁式等連接結(jié)構(gòu)[40]。

2.1.1 機(jī)械式連接結(jié)構(gòu)

機(jī)械式連接結(jié)構(gòu)在工作過程中，往往具有受環(huán)境影響小、耗能較低、連接穩(wěn)定牢固等特點(diǎn)，其主要包含鉤爪式、銷孔式等多種具體的連接結(jié)構(gòu)[41]。由于機(jī)械式的連接結(jié)構(gòu)連接較穩(wěn)定，連接結(jié)構(gòu)在重構(gòu)過程中不易分離，所以在連接/分離過程中需要較大的空間[42]，更適用于較空曠的工作環(huán)境中，典型的連接/分離原理如圖3所示。

圖3 機(jī)械式連接/分離Fig.3 Mechanical connection/separation

2.1.2 電磁式連接結(jié)構(gòu)

最初的磁力模塊連接結(jié)構(gòu)是由2個(gè)磁極相反永磁體所組成[43]，這個(gè)連接方法雖然操作起來簡便、可行性強(qiáng)，但它必須用大于它原來磁力的外力將磁力模塊分開。后來出現(xiàn)的模塊化的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往會(huì)使用電磁體，磁力的方向和大小受電流改變的影響[44]，進(jìn)而使模塊之間實(shí)現(xiàn)有效連接與分離。因?yàn)榇帕Υ笮∈呛瓦B接模塊間距成反比[45]，對一般機(jī)械的連接模塊結(jié)構(gòu)形式來說，只依靠磁力的機(jī)械連接模塊結(jié)構(gòu)形式連接強(qiáng)度相對較弱，易受到環(huán)境中磁力的影響，且因?yàn)樾枰恢惫╇妼?dǎo)致耗能較多[41]，但磁性連接結(jié)構(gòu)連接/分離過程中需要空間比較小，典型的連接/分離原理如圖4所示。

圖4 電磁式連接/分離Fig.4 Electromagnetic connection/separation

2.1.3 機(jī)械-電磁式連接結(jié)構(gòu)

研究人員結(jié)合2種連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械-電磁式的連接結(jié)構(gòu)[40]，以此應(yīng)對機(jī)械式與電磁式2種自重構(gòu)連接結(jié)構(gòu)在作業(yè)中遇到的困難。機(jī)械-電磁式的連接結(jié)構(gòu)不僅具有電磁式連接可靠、易于分離的優(yōu)點(diǎn)，還具備機(jī)械式連接結(jié)構(gòu)模塊體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、耗能小等優(yōu)點(diǎn)[46]，更適合作業(yè)于未知、復(fù)雜的環(huán)境，其連接/分離原理如圖5所示。

圖5 機(jī)械-電磁式連接/分離Fig.5 Mechanical-electromagnetic connection/separation

圖6總結(jié)了自重構(gòu)機(jī)器人3種連結(jié)結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)：機(jī)械式連接結(jié)構(gòu)雖然耗能低、連接牢固、可靠性高，但分離較困難，需要較大的空間完成重構(gòu)；電磁式連接機(jī)構(gòu)研發(fā)簡單、迅速，重構(gòu)需要空間較小，且連接和斷開較容易，但其往往能耗較高，且會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱等現(xiàn)象；機(jī)械-電磁式兼具機(jī)械式和電磁式2種連接結(jié)構(gòu)模塊體積小、結(jié)構(gòu)簡單、連接穩(wěn)固，重構(gòu)過程耗能小、容易分離等優(yōu)點(diǎn)。目前，機(jī)械-電磁相結(jié)合的新型連接結(jié)構(gòu)越來越多地得到研究人員的使用[46]，人們對已有的連接結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行創(chuàng)新、改造，解決出現(xiàn)的問題，但仍然出現(xiàn)了機(jī)器人模塊連接穩(wěn)定性與機(jī)器人重構(gòu)高效性2種性能不共存、工作過程連接機(jī)構(gòu)發(fā)熱等問題[47]?？梢?，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究依舊是十分必要的。

圖6 自重構(gòu)機(jī)器人連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)Fig.6 Characteristics of self-reconfigurable robot connection structure

2.2 自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)算法研究

在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)過程中，模塊間的連接與分離離不開準(zhǔn)確高效的重構(gòu)算法，擁有一套合適的運(yùn)動(dòng)自重構(gòu)規(guī)劃算法對于自重構(gòu)機(jī)器人來說意義重大。進(jìn)入21世紀(jì)以來，自重構(gòu)機(jī)器人發(fā)展更加迅速，各國科學(xué)家致力于構(gòu)建更加適用于機(jī)器人的重構(gòu)算法，力求新的突破，在提高模塊空間規(guī)劃效率的同時(shí)，又能提高其運(yùn)動(dòng)能力，減少不必要的能量損耗。

英國赫瑞瓦特大學(xué)LARKWORTHY等[48]提出了一種六邊形變胞自重構(gòu)系統(tǒng)的高效規(guī)劃算法，如圖7所示。其中，移動(dòng)的痕跡以灰色顯示，藍(lán)色代表機(jī)器人模塊，白色代表空白空間，軌跡是單個(gè)機(jī)器人單元可以自由移動(dòng)的地方(如箭頭所示)。該算法在隨機(jī)問題實(shí)例上實(shí)現(xiàn)了0(n)平均的時(shí)間復(fù)雜度，其能夠在包含少于20 000個(gè)單元的配置的一般狀態(tài)空間中解決大約97%的規(guī)劃，狀態(tài)空間根據(jù)規(guī)劃效率分為2類。第1類配置允許歐拉之旅(Euler tour)纏繞在機(jī)器人集合體上，歐拉之旅的存在意味著模塊可以在安全氣囊的周邊自由移動(dòng)，此類配置之間的規(guī)劃可以使用專門的規(guī)劃算法在0(n)中執(zhí)行；第2種專門的規(guī)劃算法從一般配置規(guī)劃到附近的歐拉巡回配置，使規(guī)劃的距離很短。通過2種算法的共同使用，更快速準(zhǔn)確地為六邊形變形機(jī)器人規(guī)劃可執(zhí)行的任務(wù)配置。

圖7 六邊形機(jī)器人重構(gòu)配置Fig.7 Hexagon robot reconfiguration

德國LUTZ等[49]提出了一種解決移動(dòng)模塊化機(jī)器人自重構(gòu)問題的方法，如圖8所示。在該方法中，機(jī)器人在最終配置中所處的位置由運(yùn)行時(shí)的群體機(jī)制決定，其采用多個(gè)重構(gòu)復(fù)雜度各異的自重構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行仿真規(guī)劃和自重構(gòu)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)，最終證明該方法可行，且相較于以往所提出的自重構(gòu)方法具有明顯的優(yōu)越性。

圖8 模塊化機(jī)器人重構(gòu)配置Fig.8 Modular robot reconfiguration

NAZ等[50]研制了一種基于柱形L格的模塊化機(jī)器人分布式自重構(gòu)算法，用于探索使用實(shí)時(shí)觀測量子遺傳算法(QGAs)來進(jìn)化神經(jīng)控制器，如圖9所示。該控制器能夠在自適應(yīng)移動(dòng)任務(wù)中控制自重構(gòu)模塊化機(jī)器人。近年來，量子啟發(fā)的遺傳算法在許多具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中顯示出了優(yōu)于傳統(tǒng)遺傳算法的優(yōu)勢。NAZ等[50]用幾種量子氣體變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際觀測的QGA在解決數(shù)值優(yōu)化問題上取得了很好的結(jié)果。此研究使用了有2個(gè)自由度和4個(gè)連接面的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，并設(shè)置了不同的機(jī)器人配置進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，從測試移動(dòng)特性的單個(gè)模塊配置到檢查自重構(gòu)新配置的幾個(gè)斷開的模塊配置，以及蛇形、四足和滾動(dòng)軌道配置。結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠滿足全部測試場景的工作需求，自重構(gòu)過程中可以產(chǎn)生穩(wěn)定的步態(tài)，即使用真實(shí)觀測QGA進(jìn)化的人工神經(jīng)控制器能夠有效控制自重構(gòu)模塊化機(jī)器人執(zhí)行自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)任務(wù)。

圖9 分布式自重構(gòu)算法Fig.9 Distributed self-reconfigurable algorithm

表2列舉了國內(nèi)部分研究機(jī)構(gòu)提出的典型重構(gòu)算法。

表2 國內(nèi)部分典型重構(gòu)算法Tab.2 Typical domestic reconstruction algorithms

2.3 自重構(gòu)機(jī)器人快速性研究

理想情況下，自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)的快速性往往取決于機(jī)器人模塊分離、連接的快速性，隨著機(jī)器人模塊數(shù)量的增加，重構(gòu)的快速性成為模塊化自重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)研究的難點(diǎn)。

目前多個(gè)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了多種優(yōu)化方法來加速轉(zhuǎn)換以及設(shè)計(jì)形狀本身的技術(shù)。例如VASSILVITSKII等[55]提出精確的模塊幾何形狀，其可以在線性時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多形態(tài)自主性、跳躍性的自重構(gòu)，使機(jī)器人從模塊的平圓盤形態(tài)自重構(gòu)成另一種形態(tài)，這種方法為自重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)的可擴(kuò)展性開辟了新途徑。

文獻(xiàn)[49]提出了一種將自動(dòng)規(guī)劃作為移動(dòng)模塊化機(jī)器人自重構(gòu)的方法。在作業(yè)中，機(jī)器人依據(jù)當(dāng)前模塊的結(jié)構(gòu)形態(tài)計(jì)算各種重構(gòu)方法所需的時(shí)間，并在其中找到最佳的重構(gòu)方法進(jìn)行自動(dòng)重構(gòu)。同時(shí)，機(jī)器人計(jì)算的重構(gòu)時(shí)間也會(huì)提供給操作者，操作者可以控制機(jī)器人暫停目前的重構(gòu)方法，并根據(jù)工作需要自行更換重構(gòu)方法。未來的模塊化機(jī)器人發(fā)展，在理論上會(huì)愈來愈廣泛，在該方法中，根據(jù)重構(gòu)對時(shí)間長短的需求，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)找到最佳方法并進(jìn)行重構(gòu)，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的重構(gòu)快速性研究可以以此為新的研究思路和理論依據(jù)。

圖10 確定性支架組裝Fig.10 Deterministic bracket assembly

另外，文獻(xiàn)[56]提出了一種具有確定性的新型分布式方法，使大規(guī)模自重構(gòu)可以在合理的時(shí)間內(nèi)完成。其設(shè)計(jì)了一種放置在重構(gòu)場景下能夠快速構(gòu)建結(jié)構(gòu)的支架，如圖10所示，這種支架是可參數(shù)化的，并且具有立方晶格結(jié)構(gòu)。此外，其還提出了2點(diǎn)優(yōu)化，一是在模塊內(nèi)部留下內(nèi)部孔，用來促進(jìn)運(yùn)動(dòng)；二是使支架被模塊覆蓋，在促進(jìn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保持支架的外觀。由此產(chǎn)生的物體將包含比其他情況下更少的模塊，并且這些模塊將能夠在物體內(nèi)部移動(dòng)，這2個(gè)優(yōu)化有助于減少自重構(gòu)時(shí)間。

機(jī)器人重構(gòu)的快速性利于機(jī)器人更好地適應(yīng)不確定的工作環(huán)境，其在自重構(gòu)機(jī)器人的研究領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。重構(gòu)快速性的提升重點(diǎn)在于模塊幾何形狀的設(shè)計(jì)、機(jī)器人重構(gòu)結(jié)構(gòu)形態(tài)的規(guī)劃等多個(gè)方面，但當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)方面的研究還較為薄弱，有必要對其開展更進(jìn)一步的研究。

3 模塊化自重構(gòu)機(jī)器人熱點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 基于空間在軌任務(wù)的自重構(gòu)機(jī)器人應(yīng)用

圖11 機(jī)器人空間在軌任務(wù)Fig.11 Robotic space missions in orbit

空間在軌任務(wù)包含空間站建造與運(yùn)營工作、空間實(shí)驗(yàn)的開展、航天器維護(hù)等任務(wù)，如圖11所示。為適應(yīng)不同的空間在軌任務(wù)，自重構(gòu)機(jī)器人自動(dòng)迅速地改變自身結(jié)構(gòu)，組成各種復(fù)雜構(gòu)型的機(jī)器人，來減少受空間復(fù)雜、日常任務(wù)繁重等問題的影響。在空間在軌任務(wù)中，自重構(gòu)機(jī)器人用于一些航天員難以到達(dá)的狹小空間里，感應(yīng)、收集、處理并傳送信息，或用于對航天設(shè)備進(jìn)行檢查、探測、表面清潔、修復(fù)損壞等，或用于對需要的設(shè)備、材料等進(jìn)行搬運(yùn)、裝配操作等工作中[57]。

但在空間站作業(yè)中，能源的補(bǔ)給往往不能及時(shí)提供，機(jī)器人控制系統(tǒng)還要具備相對較高程度的容錯(cuò)性與安全性，來提高機(jī)器人自修復(fù)功能，進(jìn)而減少能量的消耗。為滿足空間站的環(huán)境要求，應(yīng)使用混合型自重構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，模塊之間相互運(yùn)動(dòng)、聚集到一起，利用自重構(gòu)算法，迅速找出系統(tǒng)自修復(fù)運(yùn)動(dòng)中的最短路徑，控制空閑的同類型正常功能模塊與損壞失效的模塊按照規(guī)劃路徑互換位置，快速、低耗能完成自重構(gòu)機(jī)器人自修復(fù)功能，保證機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的完整性，提高航空運(yùn)行中大量精細(xì)化任務(wù)的工作效率，這對降低航天員的工作量、提升空間在軌工作質(zhì)量具有重要意義[58]。

3.2 基于搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)的自重構(gòu)機(jī)器人應(yīng)用

通過自然界長期的物種選擇，各種生物在運(yùn)動(dòng)控制、身體構(gòu)造等方面已經(jīng)產(chǎn)生了極強(qiáng)的適應(yīng)性。為了適應(yīng)自重構(gòu)機(jī)器人在搶險(xiǎn)救災(zāi)未知、惡劣的環(huán)境中作業(yè)，需要選擇更適應(yīng)環(huán)境的仿生機(jī)器人為研究對象[59]，如圖12所示，比如模仿蛇類動(dòng)物爬行方式的蛇形機(jī)器人、模仿獵豹跳躍的四足機(jī)器人、具有一定柔順性的機(jī)械臂等。與普通模塊化自重構(gòu)機(jī)器人相比，仿生機(jī)器人在復(fù)雜地形上具有更好的通過性和穩(wěn)定性，在搶險(xiǎn)救災(zāi)中的偵察、檢測、排除危險(xiǎn)、輸送物資等領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景[60-61]。

圖12 仿生自重構(gòu)機(jī)器人Fig.12 Bionic self-reconfigurable robot

4 存在的問題及研究展望

4.1 存在的問題及不足

隨著機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人在搶險(xiǎn)救災(zāi)、空間檢測等復(fù)雜環(huán)境中凸顯出重要的應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)吸引了世界各研究機(jī)構(gòu)的注意，但目前自重構(gòu)機(jī)器人還存在不足，具體如下。

1)機(jī)器人模塊往往使用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模型高精度、高效率、低成本、低重量、多規(guī)格制作，保證了機(jī)器人作業(yè)過程中模塊的靈巧性，但3D打印的材料剛度不夠高，受模塊連接/分離過程中碰撞易發(fā)生變形，降低了任務(wù)的完成質(zhì)量。

2)動(dòng)物的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是通過肌肉收縮實(shí)現(xiàn)的，但機(jī)器人往往依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，仿生機(jī)器人的靈活性和協(xié)調(diào)性遠(yuǎn)不如真正的生物，如何使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)完美配合，使機(jī)器人對災(zāi)區(qū)地形、環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可應(yīng)用的場合更多，是仿生自重構(gòu)機(jī)器人亟需解決的難題。

3)因模塊外部模型磨損、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精度不足、外界環(huán)境存在復(fù)雜多變的未知情況等，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)過程可能在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致模塊連接結(jié)構(gòu)的結(jié)合快速性與準(zhǔn)確性不能得到保證，進(jìn)而影響任務(wù)的正常進(jìn)行。另外，具有相同模塊的同構(gòu)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，不同位置的各模塊動(dòng)作所需要的驅(qū)動(dòng)力可能是不同的，在作業(yè)中往往造成部分模塊驅(qū)動(dòng)能力的浪費(fèi)。

4)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人往往代替人類工作于環(huán)境惡劣、空間狹小等人類難以到達(dá)或者不利于人類工作的環(huán)境中，例如搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事偵察、航空航天等。而在未知多變的環(huán)境中，機(jī)器人損壞的概率也相對較高，且機(jī)器人回收、檢查等工作也不易進(jìn)行，增加了機(jī)器人改進(jìn)升級(jí)工作的難度。

4.2 研究展望

受工作環(huán)境的影響，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人工作效率的提高成為研究者關(guān)注的主要問題，分層、分布式等多種高效規(guī)劃算法的提出，配合機(jī)器人模塊快速移動(dòng)、重構(gòu)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，推動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人工作效率迅速提升。但也仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如機(jī)器人連結(jié)結(jié)構(gòu)、重構(gòu)算法、工作數(shù)據(jù)利用等方面的問題，均成為未來模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究方向，具體如下。

1)連結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)剛度研究。連結(jié)結(jié)構(gòu)是模塊化自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)的關(guān)鍵之一，對實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)的高效快速是必不可少的，然而在實(shí)際作業(yè)中，往往要求連結(jié)結(jié)構(gòu)兼具強(qiáng)剛度和輕重量2個(gè)充滿矛盾性的綜合性能，這對目前國內(nèi)外各個(gè)研究機(jī)構(gòu)仍是技術(shù)難點(diǎn)。

2)仿生機(jī)器人靈活性研究。實(shí)際環(huán)境中，生物體的適應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于仿生機(jī)器人，為了使關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)完美配合，更好地適應(yīng)作業(yè)環(huán)境，需要提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能以及機(jī)器人智能水平，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和協(xié)調(diào)性。

3)重構(gòu)算法低耗能研究。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)勢在于其靈活多變的構(gòu)型，以及對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，其重構(gòu)路徑和規(guī)劃問題在作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。在復(fù)雜惡劣的作業(yè)環(huán)境中，機(jī)器人易受環(huán)境影響產(chǎn)生誤差，造成能量的過度消耗，消耗的能量不能及時(shí)補(bǔ)充，且需要反饋系統(tǒng)進(jìn)行自修復(fù)，這種情況下，研究能夠同時(shí)滿足機(jī)器人重構(gòu)的高容錯(cuò)性且低耗能的算法是十分必要的。

4)應(yīng)用數(shù)據(jù)有效利用研究。自重構(gòu)模塊機(jī)器人在應(yīng)用過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)際數(shù)據(jù)，在模塊上裝備視頻拍攝傳輸設(shè)備及傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人作業(yè)環(huán)境和重構(gòu)過程，將數(shù)據(jù)與所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)合，檢測算法運(yùn)行的合理性，必要時(shí)可對機(jī)器人進(jìn)行人工調(diào)整，以提高機(jī)器人的作業(yè)效率，并對機(jī)器人工作及損壞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對出現(xiàn)的不足做出改進(jìn)，不斷提升機(jī)器人工作性能。

模塊化自重構(gòu)機(jī)器人依靠自身靈活多變的特點(diǎn)，將更廣泛地用于傳統(tǒng)工業(yè)、日常生活、空間在軌、搶險(xiǎn)救災(zāi)等任務(wù)中。因此，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究工作具有巨大的發(fā)展空間和現(xiàn)實(shí)意義。