像俄罗斯方块一样“72变”！宾夕法尼亚大学新型模块化机器人问世

原创 Robospeak 机器人大讲堂

俄罗斯方块，大家一定不陌生，今天介绍的这款模块化机器人与俄罗斯方块有着异曲同工之妙。它长这样：

这款模块化机器人由宾夕法尼亚大学设计和制造，名叫SMORES-EP。

SMORES代表自组装模块机器人，用于极端变形，EP是指模块用来连接的电永磁体。

SMORES-EP是一个两边带有轮子的正方体，你可能好奇这小东西能干些啥？

别急，小编先为您讲解一下它的原理。

SMORES-EP模块有四个自由度(平移、倾斜和左/右车轮)。左右车轮都有橡胶轮胎，使得该模块可以像汽车一样在平面上行驶。每个模块都有自己的电池，并与中央计算机通信。到目前为止，已经建成了24个模块。

SMORES-EP模块的四个面上，每个面都装有一组电永久(EP)磁体，可以与其他模块或金属物体形成牢固的连接。每个极压磁铁由一对永磁体芯包裹的电磁铁线圈组成，可以通过线圈发送电流脉冲来开关。磁铁接通后，连接的模块保持89牛顿的力而不消耗能量——它们只在连接和断开时才需要能量。SMORES-EP模块通过利用磁铁的感应耦合相互通信，本质上是将它们用作短程无线电。

在自然界中有个很常见的现象，个体的群体可以形成各种各样的结构，以克服每个个体的有限能力，特别是对于那些经常需要在大群体中合作完成任务的昆虫来说。

这种集体智能对模块化机器人非常重要，模块化机器人由许多简单的构件或模块组成。虽然每个单独的模块通常具有有限的功能，但是多个模块能够通过组装成合适的配置，来执行复杂的任务。

在这项研究中，研发人员提出了一个框架做自组装的SMORES-EP系统。将模块化机器人拓扑结构完全定义为一个图。给定地面上的一组模块和要组装的目标拓扑配置，通过解决任务分配问题，以最优的方式将每个模块分配到目标拓扑配置中的一个角色。然后计算相应的装配操作，这些操作可以通过并行方式执行。

自重构模块化机器人通常由多个模块组成，具有统一的对接接口，可自行转换为不同的配置。重新配置计划问题是找出要将一组模块转换为另一组模块需要哪些重新配置操作序列。

研究人员提出了一种新的模块化机器人重构规划算法。该算法有效地比较了初始配置和目标配置。重新配置操作可以以分布式方式执行，这样每个模块都可以有效地完成其重新配置任务，从而引发系统的全局重新配置。最后，研究人员在实际的模块化机器人上对该算法进行了演示，并给出了一些重构任务的实例。

例如，将一组SMORES-EP模块放在地上，任务是到达盒子顶部的位置。这些模块必须自我组装成一个载具的手臂，以达到高的位置。首先以最优的方式计算目标拓扑配置中每个模块的分配，然后计算装配操作序列。所有映射到具有相同深度的目标运动学拓扑的模块可以并行执行，以提高效率。

这个模块化机器人系统能够自主完成高级任务，以满足适应未知的环境的需求。

例如可以排列成十字型

工字型

为了保证装配操作的成功，SMORES-EP专配了一种对接控制器。对接过程分为三个步骤:导航、姿态调整和接近。每个相关模块都运行一个简单的路径跟踪控制器，以到达目标位置。然后调整各个模块的姿态，对准对接接头。最后，命令各相关模块接近其配套连接器，完成对接。在一些特殊情况下，需要一个辅助模块来抬起所涉及的模块，并将其送到对接位置。

研究人员用实际硬件验证了控制器的性能。