顶级|内地高校凭磁性球体机器人首获机器人顶级会议最佳论文奖论文|内地|高校|机器人|磁性

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【 顶级|内地高校凭磁性球体机器人首获机器人顶级会议最佳论文奖】提起机器人，很多人都会直觉地联想到机械状的人形，或者是像波士顿动力的机器狗一般的四足仿生机器人。它们模拟人或者其他动物的肌肉和骨骼结构。其实“机器人”的范畴远远不止于此，电影《超能陆战队》就展示了另外两种对于“机器人”的想象，一个是有柔软皮肤，又会主动安慰人的“大白”；一个是由无数微磁单元组成、任意变形的机器人。
这种类型的机器人叫做模块化自重构机器人（Modularselfreconfigurable robot, MSRR）。这种机器人属于一种特殊的多机器人系统，由大量同构的机器人模块组成。相比于形态固定的机器人，这类机器人功能多样、可扩展性强、也具有更强的鲁棒性。
“《超能陆战队》里面这个例子，我觉得是MSRR 最终希望做到的，有点像生物的细胞，几百亿甚至几千亿个小细胞作为单元，组成了一个庞大而且复杂的生命共同体，最终这个共同体能够根据需求自由地改变形状及功能。”香港中文大学（深圳）理工学院的梁冠琪接受采访时说。目前，他在该校的机器人与人工智能实验室读博二，导师是实验室执行副主任林天麟教授。
前不久，梁冠琪作为第一作者的论文获得了IEEE智能机器人与系统国际会议（IROS）的机器人机构设计（Robot Mechanism and Design）最佳论文奖。获奖的是一种叫做FreeBOT的球形机器人系统，它们之间能够通过磁性自由地连接在一起。
机器人机构设计最佳论文奖为今年新增奖项，梁冠琪所在的团队因此成为首届获奖者。而除了这篇论文获奖，林天麟团队此次有三篇关于MSRR的论文都被IROS接收。另外两篇论文的分别研究了系统中单个模块的相对定位，以及作为整个系统的机器人快速重构算法。
连接不受限制的磁性球体机器人
MSRR机器人与常见的机器人在形态上有很大的差别，在设计思路上也不同。人形机器人、四足机器人、或者无人机，这些机器人形态固定，在设计时会考虑从某些具体功能出发。
而MSRR机器人则是另外一种思路，不针对特定的任务而设计。科学家们希望它能够随着任务和环境的不同，迅速改变自身的构型，从而实现更广泛的功能。这种思路受到了群居生物的启发。群居动物组合在一起能够完成远超出个体能力的复杂任务。比如蚂蚁，在遇到个体难以通过的地形时，能够彼此衔接身体，组成桥梁等复杂结构。
因此，MSRR机器人设计的一个核心问题是模块间的连接机构。现有的MSRR系统的连接方式都存在某些约束，两个模块间需要精确地对准才能连接，并且存在特定的连接面，类似航天器的对接方式。
梁冠琪介绍，在思考FreeBOT的设计时，林教授希望能够尽可能地减少对连接的限制，甚至做到能迅速及任意进行连接的效果。现实生活中的巴克球这种智力玩具也给了他们启发。巴克球是一个带磁性的小球，一大群巴克球能自由组合成各种各样的形状。
FreeBOT也是利用磁力与另一个FreeBOT表面上任意一点进行连接，摆脱了传统MSRR 需要在特定连接点进行连接的约束。这一性能是如何实现的？FreeBOT的结构主要分为两部分：外部一个铁磁性球壳，以及内部的驱动器。内部驱动器上有轮子、马达、磁铁等部件。
驱动器像一个小车带着磁铁在球壳内部运动，从而改变FreeBOT的重心分布及磁作用力的方向，一方面赋予FreeBOT独立移动的能力，另一方面能让FreeBOT通过磁力在另一个FreeBOT上自由走动。
当驱动器靠近两个圆球的外在接触点时，传导到表面的磁性就能够让两个FreeBOT连接在一起。连接或者断开连接只需要0.5秒的时间。这样，内部的驱动器，既实现了对单个FreeBOT运动的控制，同时也能够控制球外部的磁性传导。
凭借内部的强大磁体，单个的FreeBOT就可以爬上有磁性的斜坡甚至墙面。论文还展示了两个FreeBOT合作完成一些超越个体能力的任务。
磁铁在驱动器的底部，它就会对外壳始终保持磁力，让靠近它的球壳表面具有磁性；同时，磁铁与球壳的内面又非直接接触，而是橡胶轮与球壳内面接触，这样可以通过控制橡胶轮，让磁铁在球壳内部旋转方向。要实现自由迅速的连接，磁铁的选型以及其距离外部铁壳的距离需要恰到好处，梁冠琪介绍，试验中间经历过很多次失败。