文/圖_Text Photo_毛昕 陳汗青 朱延河 王愛紅等
隨著科技革命和產業革命、信息化與工業化的不斷融合，社會創新的不斷深入，創新驅動成為中國乃至世界的發展趨勢，機器人設計逐漸成為了引領智能創新設計制造發展的方向之一。以哈爾濱工業大學為主力（涵括武漢理工大學、四川美術學院、景德鎮陶瓷大學等學術力量）的機器人設計團隊，以國家發展的重大戰略需求及社會問題為導向進行創新設計，自主研發了模塊化自主變形機器人，獲得了2018年中國優秀工業設計獎金獎。
1.設計背景
一項設計的發展與深入要根植于時代和社會，模塊化自主變形機器人在設計伊始就針對當前的政策、社會以及科研等方面的背景進行了調研與論證。
習近平總書記強調：“科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂。”2“國際上有輿論認為，機器人是‘制造業皇冠頂端的明珠’，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。”32016年以來，隨著國務院“十三五”規劃綱要的發布，對于大力發展機器人的國家政策不斷出臺，機器人的發展迎來了關鍵時期。
隨著人工智能科技的深入，我國智能機器人在國防、制造、醫療、服務等方面都有了廣泛的應用，但在機器人設計創新方面的發展卻并不樂觀。在面對我國“工業2025”、“一帶一路”，特別是如搶險救災、空間探索、海洋開發、文化考古等重大需求時，智能機器人的設計與制造，亟待發展。
模塊化自主變形機器人概念誕生于20世紀 90 年代， 為從根本上解決機器人如何改變形態、適應環境提供了可能性。模塊化機器人通常由結構相似的基本模塊組成，模塊單元集合了探測、通訊、感應、運動等相關功能，一定數量的模塊群可以組成不同形態和功能的機器人，通過改變模塊的數量和連接方式就能夠改變機器人的整體構型。例如可以從一張桌子變成椅子等等，這種新概念機器人從根本上為實現“構型重建、一機多用”提供了可能性。
2.靈感與理念
模塊化自主變形機器人設計從自然界中獲取靈感，從生命自組織演化與發展進化的角度看待自重構機器人形態與功能的形成，利用仿生學原理，以“感知-變形-運動-行為”為主線，探索機器人自行完善結構、發展智能、適應環境的理論與方法。
模塊化自主變形機器人的核心理念是通過結構重組、形態重塑、功能再生實現傳統的固定構型機器人所無法達到的復雜環境適應能力，為從根本上提高未來機器人的環境適應能力、任務執行能力提供了全新的設計思路與構想。本設計嘗試從生命自組織演化與發展進化的角度看待模塊化自主變形機器人形態與功能的形成，圍繞分布控制、信息感知、機器人自組織、自重構、自適應等科學問題，以人機融合的交互設計原則、可持續設計理念為支撐，從“人-機-環境”的整體角度出發，開展模塊化機器人環境感知、形態重構、協調運動、自主行為等方面的設計探索，并配套建立了面向復雜環境的機器人虛擬仿真與實驗平臺，為模塊化自主變形機器人的發展提供了重要的理論與實踐參考。
3.設計探索
在國家重大戰略需求目標下，結合機器人相關前沿技術，我們希望機器人在復雜作業環境和極端工作條件下，本體能夠千變萬化，自適應不同場景，這些顛覆性的需求顯然是傳統單一固定構型機器人難以實現的。
具體來說，在面對自然災害、核電站維護、外太空等復雜、苛刻環境時，人類不可能與機器人共處同一環境下，這就要求機器人自身能夠適應復雜多變的惡劣環境，并能夠脫離人工遠程操控，進行自主思考、決策、變形甚至執行任務。同時，由于環境的復雜性和不可預測性，機器人在執行核心任務的過程中會面臨一系列多變的子任務。如：在面對地震等自然災害，急需探測廢墟中的生命體征，提供準確傷者位置、健康狀況以及廢墟內部環境等信息，以便救援力量實施精確的援救以及治療等措施的時候。原有的做法只能是由救援人員在廢墟表層進行探測，并逐層破除障礙物，逐層深入探尋生命體征。這樣的方法無疑使用了很長的搜索時間，無法在黃金救援期內將受困于廢墟深層的人營救出來，降低了地震救援的效率。基于這樣的情景，傳統機器人雖然可以延展人類的活動空間或提升人類處理復雜任務的能力，但是傳統機器人并不能對地震救援這一類綜合型任務給予全面支持。某一類型的傳統機器人可以進行表面探測，但無法深入廢墟中進行全面探測；或者一些傳統機器人具備挖掘和移障功能，但卻無法進行探測和救援。
基于這些現狀，模塊化設計就成為了解決這一問題的可靠方法。模塊化機器人由一定數量的獨立模塊組成，通過模塊與模塊之間不同連接，構成了整體的機器人。本次設計利用仿生學原理，嘗試從動植物生命體的組織、進化、發展等角度出發，解決模塊化自主變形機器人個體形態及其整體鏈接方式等問題。同時，以晶體結構為靈感，嘗試了以晶體結構為原型的模塊自組織方式，設計出了有目標構型的重構。最終設計成型的模塊化機器人可以伸縮變形成為蟲形機器人擠過狹窄洞口；可以變為獸形機器人攀爬陡坡；可以變為蛇形機器人盤附于欄桿上執行任務等等。在這樣的設計思想下，機器人就可以針對不同任務做出不同造型，實現一機多用，綜合處理任務等目標。
不僅如此，結合人工智能科技，將模塊化機器人賦予自主思考、自主探索、自主應對問題等能力后，模塊化機器人便擁有了智慧、智能的特征。同時，本設計從生物大腦神經系統進化發育的科學原理中得到啟發，借鑒自然界‘適者生存’的進化過程，利用單個機器人之間的局部網絡溝通能力，解決了模塊自主變形機器人需要依靠上位機核心控制的問題，實現了分布式控制以及模塊的“舍棄-再生”設計。
（1）單體模塊
模塊化自主變形機器人由多個獨立模塊組合而成，在目前國內外的相關研究和實踐中，多數研究采用相同結構的模塊單元。這樣由具有完全運動能力的模塊組成的機器人雖然在系統控制以及運算難度上有所降低，但是這樣的構型方式決定了每個模塊都必須具備同等且獨立的運動能力和其他附屬功能，這無疑加大了模塊的設計、制造難度。基于這樣的前提和思路，在本次設計實踐中，我們綜合了構型設計和運算設計，研制出了既具有較高連接度和運動能力，又具備較低重構難度的獨立單元——UBot。
UBot為一組具有雙軸運動能力的單元模塊。它由主動模塊和從動模塊兩種模塊構成，單獨的某一模塊不具備運動能力，但是主、從模塊相互連接后便具有了完全的運動能力。在外形與構型設計上，UBot利用了模塊化設計思想，主、從模塊具有基本相同的外觀，可以實現模塊與模塊之間的無縫鏈接。同時，在UBot內部還集成了方位識別、無線通訊、環境感知等功能模塊，實現了模塊化自主變形機器人的相應功能。不僅如此，為了保證模塊與模塊間的可靠鏈接，UBot還采用了磁性引導對中、主被動結合的鉤爪式連接設計，這很大程度上提高了模塊化自主變形機器人在運動和重構過程中的效率和可靠性。
（2）整體模塊
模塊化自主變形機器人可能由成百上千個單元組成，如此大量的個體，如果由上位機進行統一控制，計算量和通訊量會隨著模塊數量成指數增長，而且一旦與主控失去聯系，所有單元就會陷入癱瘓。這樣情況下，我們需要探索一種新的途徑，就是分布式控制，利用每個單元的有限計算能力和局部通訊能力，實現整體的自組織、自協調，從根本上解決依賴上位機大腦的問題。
通過模塊之間的局部通信運算，模塊化自主變形機器人具備了自主變形、自主適應等功能。大量由單個模塊結合所組成的機器人整體構型，借鑒了生物組織分化生長過程中普遍存在的分形規律，形成了模塊化機器人針對不同環境進行不同運動的特征。
（3）平臺建設
模塊化自主變形機器人不同于傳統固定結構的機器人，它的形態千變萬化，我們沒辦法針對每種形態都預先制定相應的控制方案。這就要求機器人能夠根據環境的改變，自主決策，自主地產生適用的控制規律，從而解決機器人功能進化問題。
針對目前存在的困難，借助于多核集群的大規模并行計算能力，建立了模塊化自主變形機器人的虛擬仿真平臺，該仿真平臺集成了動力學、運動學、多種進化算法及三維顯示功能，可通過仿真平臺隨意構造不同構型的機器人，并進行大規模的智能進化運算，從而獲得機器人多種多樣的運動步態。
哈爾濱工業大學是國內最早開展模塊化變形機器人設計研究的單位之一，到目前已成功開發了4代不同結構與功能的機器人模塊單元及平臺，在運動進化、變形規劃、協調運動等理論研究方面取得突破：發表SCI檢索論文30余篇，獲得最佳論文獎2項，申報有國家發明專利16項，模塊化自重構機器人研究連續4次獲得國家自然科學基金資助，2017獲得國家自然科學基金重點項目支持。這些都是團隊設計與研究模塊化自主變形機器人平臺的重要支撐。
4.展望
隨著智能科技變革的逐漸深入，電子學、微型機電系統及微型傳感器技術的發展，處理器單元及傳感、驅動技術的不斷完善，模塊化自主變形機器人的構成模塊將越來越小，功能也會越來越強大，自主性也將不斷提高。模塊化自主變形機器人可以變為蟲形姿態通過狹窄洞口、可以變為人形站立探測洞穴頂部巖石構成、可以變為獸形通過崎嶇路面、可以變為蛇形盤繞于欄桿上探測目標等等。
模塊化自主變形機器人未來將應用于空間操作、深海探測、登月探索、核電站維護、地震救援、反恐偵查等領域。在不遠的將來，模塊化自主變形機器人將能夠具備更強大的運動能力，適應更加復雜多變的環境，自主完成更艱巨的任務，為我國重大戰略目標的實現貢獻力量。
