科學家研發出新型多足機器人，可自行組裝，零件損壞時也能繼續運動

在自然環境中，群體昆蟲（如蜜蜂、螞蟻、白蟻等）、魚類和鳥類等動物可以通過合作來完成生物個體難以或不可能完成的任務。受到這些集群行為的啟發，許多研究人員研究了自組裝或可重構的模塊化群機器人，然而，由于輪式/履帶式機器人難以克服一些足式機器人能夠處理的復雜地形。

近日，美國圣母大學聯合佐治亞理工學院研究出一種即可單體運動，又可以組裝成多體足式機器集群系統。相關研究發表于《科學·機器人》期刊，題目為《共同完成具有挑戰性動力學任務的可自主組裝多足機器人群》。

無尾部機構的機器人運動

研究人員在這項研究當中提出了一種四足驅動的單體機器人，內置傳感、驅動和控制功能，可以進行自主移動，同時這種單體機器人能夠組合成多體機器人。為了提高單個機器人在復雜地形下的運動性能，研究人員在為這種機器人設計了柔性驅動足和尾部機構。

當執行相對簡單的任務，如在平坦地面上運輸物體，使用單體機器人可以體現出成本優勢。而當需要在復雜環境下越障和運輸時，使用多體機器人更具性能優勢。

單體機器人和多體機器人的結構設計

作者在這項研究中提出的四足機器人的靈感來自之前的研究，每個單體機器人分為兩段，每段都有一對驅動足，兩段結構分別與伺服電機相連。

在本項研究里，單體機器人和多體機器人均使用對角線步態進行運動，而多體機器人則是由單體機器人自行組裝起來的。

單體機器人通過磁性機構組裝成多體機器人

為了提高穩定性，研究人員設計了一種尾部機構。尾部機構提供了額外的支撐點，可以消除機器人不必要的轉彎和翻轉運動。研究人員分別對有無尾部機構的機器人運動進行了測試實驗，當使用尾部機構時，機器人在每個周期下行走的位移大于無尾部機構時的位移。

安裝了尾部機構的機器人運動

研究人員所提出的機器人：（A）單體四足機器人;（B）由單體組裝起來的多體機器人;（C）多體機器人爬樓示意;（D）多體機器人越障示意;（E）在前后兩個機器人運送斷足機器人;（F）多個單體四足機器人組裝成多體機器人

研究人員表示，傳統上大多數足式機器人使用位置控制或扭矩控制來實現在復雜地形上的驅動，這需要使用多個傳感器。然而，由于現實情況存在干擾等復雜情況，無法獲得無準確的反饋。為了實現快速而穩定的驅動，需要額外的設計。

尾部機構的安裝對機器人運動影響：（A）驅動足運動時序;（B）無尾部機構時的重心軌跡;（C）有尾部機構時的重心軌跡;（D）在不同的地形上機器人的運動軌跡

受仿生動物啟發，研究人員通過改造驅動足來提高機器人對復雜地形的適應性。這種柔性改造驅動足的優勢在于能夠在運動的時候保持一定的扭矩，其靈活性可以使得驅動足與地面的接觸區域分布得更加有效，不會干擾步態的前提下提供強大的越障能力。

四足機器人的結構組成：（A）單體四足機器人CAD模型;（B）磁性連接機構;（C）帶復位彈簧的柔性足的工作原理;（D）尾部機構

單體和多體機器人的越障，爬樓以及崎嶇地形上的運動研究

研究人員研究了單個和多體的四足機器人在復雜環境中的運動性能，包括跨越溝渠、爬樓梯和穿越復雜地形。

由于機器人的重心位于雙足之間，所以單體機器人卡住時，前足落人間隙，只能用后足旋轉，而機器人的由于向前傾斜而無法恢復姿勢。但將機器人連在一起，組裝成多體機器人，可以將重心后移，合適的重量分布得以跨越溝渠。

研究人員首先測試了單個機器人在不同高度樓梯的攀爬性能。單個機器人可以成功爬上1.25厘米高的樓梯，而無法爬上2.5厘米高的樓梯上，但是多體機器人可以爬上2.5厘米高的樓梯。

為了測試多足機器人運動的魯棒性，研究人員設置了分散的木塊障礙物以模擬復雜地形。在這個開環控制實驗中，單個機器人由于尾部機構或驅動足被卡住而無法繼續運動。相比之下，多體機器人可以定向越過障礙物以繼續運動。

單體機器人和多體機器人的爬樓對比實驗：單體機器人無法跨越間隙

單體機器人和多體機器人的爬樓對比實驗：多體機器人可成功越障

單體機器人不能爬越一定高度的臺階多體機器人可以爬過同等高度的臺階

在零件損壞時的多體機器人仍可繼續運動

研究人員發現大自然中的蜈蚣可以在缺失足的情況下仍可穩定爬行。同樣，在現實情況下，機器人發生的故障是有可能的。而這項研究提出的單體機器人因驅動足損壞或其他部分（驅動器或傳輸）出現故障，多體機器人在無人干預的前提下仍可以繼續運動。

研究人員將3個單體機器人組裝成多體機器人，中間的是缺失驅動足的機器人，他們發現多足機器人仍可以繼續運動，而且爬行速度因為摩擦力減小而有所提高。

單體機器人驅動足損壞不可正常運動

多體機器人驅動足損壞可正常運動

單體機器人和多體機器人的應用場合

機器人來跨越崎嶇地形運輸（單體機器人用于無障礙路面的運輸，多體機器人用于越障）

機器人來跨越崎嶇地形運輸（單體機器人用于無障礙路面的運輸，多體機器人用于越障）

受螞蟻覓食行為的啟發，研究人員研究了機器人的集群行為，根據所需的任務，比如在不同地形時運輸輕型或重型物體，所采用的機器人類型有所不同。

例如，在平坦的地面上，單體機器人可以負載約占其質量的70%的物體，使用單體機器人可以節省成本，而隨著物體質量的增加以及路面情況變得復雜，要采用多體機器人才可以完成任務。

機器人學從古至今一直是一門迷人的學科，融合了多學科的技術，吸引著古今中外眾多學者的探討研究。多足機器人作為其中重要成員之一，一直是多足移動仿生機器人的研究熱點。該項研究提出的可自行組裝的多足機器人，極大的增強了多足機器人的運動能力，擴展了其應用場景，具有很高的研究前景和市場前景。（摘自美《深科技》）（編輯/費勒萌）