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模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?

發(fā)布時(shí)間:2020-07-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】自重構(gòu)模塊化機(jī)器人由一種或幾種形態(tài)的模塊構(gòu)成,模塊之間可以通過相同的連接方式組合成不同的形態(tài),并且可以通過連接裝置傳遞力、力矩以及交換信息。這種機(jī)器人可以像傳統(tǒng)的機(jī)器人一樣通過改變關(guān)節(jié)變量來調(diào)整姿態(tài),做出不同的行為,例如抓取、操縱和移動(dòng),同時(shí)還可以對(duì)自己的形態(tài)做出很大程度上的改變,即通過改變模塊之間的連接方式實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變,從而更好地適應(yīng)不同的環(huán)境、行動(dòng)或任務(wù)。
 
一、引言
 
自重構(gòu)模塊化機(jī)器人由一種或幾種形態(tài)的模塊構(gòu)成,模塊之間可以通過相同的連接方式組合成不同的形態(tài),并且可以通過連接裝置傳遞力、力矩以及交換信息。這種機(jī)器人可以像傳統(tǒng)的機(jī)器人一樣通過改變關(guān)節(jié)變量來調(diào)整姿態(tài),做出不同的行為,例如抓取、操縱和移動(dòng),同時(shí)還可以對(duì)自己的形態(tài)做出很大程度上的改變,即通過改變模塊之間的連接方式實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變,從而更好地適應(yīng)不同的環(huán)境、行動(dòng)或任務(wù)。自重構(gòu)模塊化機(jī)器人一般分為三種類型:chain-type, lattice-type和mobile-type [1]。SMORES-EP(圖1)是一種混合類型機(jī)器人,可以實(shí)現(xiàn)上述三種類型的模塊化機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)形式。
 
 模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?
圖 1:一個(gè)SMORES-EP有四個(gè)自由度和四個(gè)連接器,兩個(gè)模塊之間一共有17種不同的連接方式。
 
每個(gè)SMORES-EP模塊有四個(gè)EP-Face連接器[2] 和四個(gè)自由度,獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)使得任意兩個(gè)模塊之間存在著17種連接方式,因此SMORES-EP模塊可以組成種類繁多的不同形態(tài)來適應(yīng)不同的環(huán)境和任務(wù)。比如在圖2a中,7個(gè)SMORES-EP模塊組成了一個(gè)可以快速移動(dòng)的小車的形態(tài),從而能夠快速地在地面上移動(dòng)完成探索、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù),但是當(dāng)遇到崎嶇不平的洼地時(shí),這種小車形態(tài)并不利于運(yùn)動(dòng),因此這些模塊可以變形成蛇的形態(tài)(圖2b),從而可以通過這類地形[3]。
 
模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?
圖 2:(a)7個(gè)SMORES-EP模塊可以形成一個(gè)可以快速移動(dòng)的小車, 從而能夠快速移動(dòng);(b)同時(shí)可以變形成一條蛇來通過崎嶇的地形。
 
每個(gè)SMORES-EP模塊的左輪和右輪兩個(gè)自由度賦予了其在地面上以差分驅(qū)動(dòng)小車的形式自由運(yùn)動(dòng)的能力,這個(gè)特性使得每個(gè)模塊可以獨(dú)立于其他模塊單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。配合SMORES-EP的自重構(gòu)能力,多個(gè)模塊可以表現(xiàn)出一定的群體行為。類似于自然界中生物的群體智慧行為,比如一只小螞蟻的行為能力極其有限,但是一群螞蟻卻能夠表現(xiàn)出驚人的、極大超出每個(gè)個(gè)體能力極限的行為。
 
一個(gè)SMORES-EP模塊雖然有4個(gè)自由度,但是運(yùn)動(dòng)能力有限,能適應(yīng)的環(huán)境和任務(wù)場景也因此收到了很大限制,例如一個(gè)模塊是無法通過一道較寬的溝壑的,但是三個(gè)模塊可以組成一個(gè)蛇形從而通過這道溝壑。多個(gè)分散的模塊協(xié)同工作、自主拼裝成一個(gè)復(fù)雜形態(tài)的能力可以極大地增強(qiáng)這類模塊化機(jī)器人的適應(yīng)能力,使其完成任一單獨(dú)的模塊均無法完成的任務(wù),這個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程稱之為self-assembly planning。
 
二、模塊化機(jī)器人并行自組裝
 
1、機(jī)器人形態(tài)模型
 
一個(gè)模塊化機(jī)器人形態(tài)(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))可以用一個(gè)無向圖G =(V,E)來表示,其中V是G的頂點(diǎn)的集合,代表著所有的模塊,E是G的所有邊的集合,每條邊包含著表示模塊間的連接方式的必要信息,這些信息取決于模塊化機(jī)器人的設(shè)計(jì)[4]。任意兩個(gè)頂點(diǎn)間存在唯一一條路徑的無向圖是樹,一個(gè)樹G=(V,E)可以相對(duì)于某個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換成有根樹,我們選取圖的中心[5]為根節(jié)點(diǎn)模塊。我們在[4]中提出了一個(gè)線性時(shí)間復(fù)雜度的算法來找到一個(gè)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊化機(jī)器人的中心。例如,圖3a是一個(gè)由三個(gè) SMORES-EP組成的簡單形態(tài),對(duì)應(yīng)的圖G=(V,E)表示在圖3b 中,其中根模塊是2號(hào)模塊。
 
模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?
圖 3:(a)三個(gè)SMORES-EP組成的一個(gè)形態(tài)和(b)對(duì)應(yīng)的圖G=(V,E)。
 
2、并行自組裝
 
我們這里提出一種可以并行的自組裝方法。已知的條件是每個(gè)模塊當(dāng)前的位置(圖4a)以及期望的最終形態(tài)(圖4b)。首先要解決的是最優(yōu)地找到每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)到最終形態(tài)中的角色。所有SMORES-EP模塊都是一模一樣的,因此并沒有固定的角色分配方案,但是好的分配方案可以使組裝的過程更快、更容易。我們這里期望所有模塊需要運(yùn)行的距離能夠最短。為了達(dá)到這個(gè)目的,首先將目標(biāo)形態(tài)展開到地面上、計(jì)算根模塊,基于根模塊,可以快速計(jì)算出其余每個(gè)模塊的2D位姿。基于現(xiàn)實(shí)中每個(gè)模塊當(dāng)前的位置,我們可以通過解決一個(gè)任務(wù)分配(task assignment)的問題來找到最優(yōu)的分配方案。
 
模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?
圖 4:(a)七個(gè)模塊的初始狀態(tài);(b)期望變成的形態(tài)。
 
當(dāng)每個(gè)模塊都被最優(yōu)地分配了相應(yīng)的角色之后,自組裝便可以開始。從根模塊開始,處于同一深度的模塊可以同時(shí)開始組裝的過程,直到所有處于葉子節(jié)點(diǎn)的模塊完成最終的組裝動(dòng)作。一個(gè)組裝動(dòng)作可以簡單表示成一個(gè)元祖(mi, ci,mj,cj),代表著將模塊mi的連接器ci與模塊mj的連接器cj相連接。對(duì)于模塊化機(jī)器人,這個(gè)對(duì)接的過程往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力,因此我們提出一種可靠的方法來保證對(duì)接的成功。就像把大象放進(jìn)冰箱一樣,我們把對(duì)接的過程分成三步:第一步是導(dǎo)航,即控制SMORES-EP 模塊快速穩(wěn)定地到達(dá)一個(gè)接近目的地的地方(圖5a),在這個(gè)過程中需要對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行路徑規(guī)劃; 第二步是調(diào)整姿態(tài)準(zhǔn)備對(duì)接(圖5b); 第三步是靠近對(duì)應(yīng)模塊完成對(duì)接(圖5c)。詳細(xì)的控制器設(shè)計(jì)及其表現(xiàn)可以查看我們的論文。
 
模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?
圖 5:執(zhí)行組裝動(dòng)作(3,T,4,B)。(a)控制 3 號(hào)模塊導(dǎo)航至一個(gè)接近目標(biāo)的 位置,(b)調(diào)整姿態(tài)準(zhǔn)備對(duì)接,(c)靠近 4 號(hào)模塊完成對(duì)接。
 
三、 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
 
在論文和視頻中我們演示了三個(gè)實(shí)驗(yàn):
 
1.7個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)帶有機(jī)械臂的小車從而可以接觸高臺(tái)(圖4b);
2.9個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)可以任意方向移動(dòng)的小車(圖6a);
3.7個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)差分驅(qū)動(dòng)四輪車從而可以推動(dòng)重物(圖6b);
 
模塊化機(jī)器人SMORES-EP是如何并行自組裝的?
圖 6:(a)9 個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)可以任意方向移動(dòng)的小車;(b)7 個(gè)分散的模塊自組裝成一個(gè)差分驅(qū)動(dòng)四輪車從而可以推動(dòng)重物。
 
在這三個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們展示了并行自組裝的全過程,驗(yàn)證了我們的方法和對(duì)接控制的可靠性。在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中,特殊的地方是需要helping module的幫助來完成一些組裝的動(dòng)作。單個(gè)模塊依賴左右輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng),因此在對(duì)接的時(shí)候無法直接控制這兩個(gè)連接器的角度,需要一個(gè)helping module輔助抬起模塊以完成連接器角度的調(diào)整。關(guān)于這個(gè)工作更多的內(nèi)容可以在ModLab網(wǎng)站的post查看,也可以在SMORES-EP項(xiàng)目主頁上查看更多關(guān)于SMORES-EP的研究工作。
 
 
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