自重構(gòu)機(jī)器人（Self-reconfigurable robots，SRRs）指能夠自動(dòng)改變形狀，并適應(yīng)周圍環(huán)境的機(jī)器人，近年來引起了機(jī)器人界的廣泛關(guān)注。這些機(jī)器人非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽趯?duì)周圍環(huán)境的感知以及適當(dāng)行為的規(guī)劃和執(zhí)行方面有高度自主性。雖然過去的研究已經(jīng)引入了一些方法來對(duì)這些機(jī)器人進(jìn)行分類，但是仍然缺乏標(biāo)準(zhǔn)步驟來評(píng)價(jià)它們的性能。

 

（圖片來源：Tan等）

 

　　考慮到這一點(diǎn)，最近，由中山大學(xué)和新加坡理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一個(gè)用于自重構(gòu)機(jī)器人分類和評(píng)估的框架。他們的研究成果發(fā)表在IEEE Access上，研究由新加坡國(guó)家機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃辦公室提供資助。

 

　　“到目前為止，研究人員已經(jīng)為自重構(gòu)機(jī)器人的分類設(shè)計(jì)了一種定性方法，但還沒有能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)者、制造商和機(jī)器人用戶的定量方法，”該研究的研究人員之一Abdullah Aamir Hayat對(duì)TechXplore說道：“這促使我們?yōu)樽灾貥?gòu)機(jī)器人制定一個(gè)框架和評(píng)估方法。”

 

　　在自重構(gòu)機(jī)器人中，改變形狀以完成既定任務(wù)的能力主要取決于機(jī)器人采用的機(jī)構(gòu)類型及其自主等級(jí)。雖然一部分自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)是完全自主的，但另外的機(jī)器人依然需要某種程度的手動(dòng)遠(yuǎn)程操作（manual teleoperation）。

 

　　在機(jī)構(gòu)層面，機(jī)器人可分為三大類：內(nèi)部重構(gòu)（intra- reconfiguration）、相互重構(gòu)（inter-reconfiguration）和嵌套重構(gòu)（nested reconfiguration）。內(nèi)部重構(gòu)和相互重構(gòu)的區(qū)別在于機(jī)器人可用的配置數(shù)量和這些配置的規(guī)模。

 

　　內(nèi)部重構(gòu)和相互重構(gòu)的區(qū)別在于，前者涉及一個(gè)機(jī)器人模塊，該模塊可以在不進(jìn)行任何裝配或拆卸的情況下改變其形態(tài)；后者涉及兩個(gè)或多個(gè)可裝配或拆卸的模塊。同時(shí)集成內(nèi)部重構(gòu)和相互重構(gòu)便構(gòu)成了嵌套重構(gòu)。

 

（圖片來源：Tan等）

 

　　內(nèi)部重構(gòu)涉及一個(gè)單一的機(jī)器人模塊，它可以在不進(jìn)行任何裝配或拆卸的情況下改變其形態(tài)，而相互重構(gòu)涉及兩個(gè)或多個(gè)模塊，它們可以裝配或拆卸。最后，由Mohan Rajesh Elara教授和Kristin L.Wood教授提出的嵌套重構(gòu)結(jié)合了內(nèi)部重構(gòu)和相互重構(gòu)的特點(diǎn)。

 

　　在他們的論文中，Hayat和他們的同事介紹了可用于評(píng)估自重構(gòu)機(jī)器人的指標(biāo)，量化了SRR的自主等級(jí)和可用配置的數(shù)量。這些指標(biāo)結(jié)合起來形成了一個(gè)TAEV框架，它可以指導(dǎo)研究人員和制造商評(píng)估他們的機(jī)器人系統(tǒng)。

 

　　“我們的工作通過根據(jù)意義形態(tài)學(xué)（meaning morphology）和涉及的模塊數(shù)量分配索引，來量化機(jī)構(gòu)的可重構(gòu)性。”Hayat解釋道，“這些索引用三軸坐標(biāo)系中的兩個(gè)軸（X-和Y-）表示。第三個(gè)軸（Z-）用于自主等級(jí)所給出的指標(biāo)，該指標(biāo)使用由六個(gè)性能指標(biāo)組成的蛛網(wǎng)模型（cobweb evaluation model）計(jì)算，即重構(gòu)規(guī)劃、決策制定、界面自主性、感知和工作空間。”

 

　　Hayat和他的同事開發(fā)的框架的主要優(yōu)點(diǎn)在于，他們?cè)谡撐闹兴攀龅娜S分類空間（3-D taxonomy space）為給定的自重構(gòu)機(jī)器人分配了一個(gè)唯一的索引，因此它可用于設(shè)計(jì)比較研究（trade-off studies），并設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)或比較不同自重構(gòu)機(jī)器人在同一任務(wù)中的性能的方法。

 

　　Hayat說：“我們提出的通用框架可以應(yīng)用于許多現(xiàn)有的自重構(gòu)機(jī)器人，不僅可以根據(jù)它們的尺寸、運(yùn)動(dòng)方式等進(jìn)行定性分類，還可以對(duì)它們進(jìn)行定量分類，包括機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和自主等級(jí)。”

 

　　在未來，這種TAEV框架有助于更有效地評(píng)價(jià)自重構(gòu)機(jī)器人，同時(shí)也可以確定其局限性和優(yōu)化方向。研究人員和制造商都可以使用它來比較不同機(jī)器人在相同任務(wù)中的性能，或者評(píng)價(jià)同一機(jī)器人的不同版本。在他們的論文中，Hayat和他們的同事還根據(jù)現(xiàn)有機(jī)器人討論了新框架的其他潛在應(yīng)用。

 

　　“我們的發(fā)現(xiàn)表明，具有自主特性的新型機(jī)器人設(shè)計(jì)占據(jù)三維空間的潛力十分巨大，嵌套式可重構(gòu)結(jié)構(gòu)（nested reconfigurable architectures）可能有許多實(shí)際應(yīng)用。”Hayat說道，“有鑒于此，我們的團(tuán)隊(duì)正致力于實(shí)現(xiàn)新的內(nèi)部重構(gòu)、相互重構(gòu)和嵌套重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，以自主實(shí)現(xiàn)清潔和監(jiān)視之類的維護(hù)任務(wù)。”