現實超能陸戰隊！新型自重構機器人獲IROS最佳機器人設計提名

在電影超能陸戰隊中，主角小宏設計了一款由成千上萬的微磁單元組成的微磁機器人。每個帶有磁性的微型單元都是獨立的個體，它們通過磁力即可互相連接，在人類的控制下隨意排列組合，可以任意變換成橋梁、快速移動的階梯等等三維空間上的結構，不受障礙物影響地去完成各種任務。電影中，反派卡拉漢教授在盜取這款微磁機器人後，能輕鬆的上天、入地，創造一切可能。

太平洋時間10月25日，機器人領域的頂級學術會議—— IEEE智慧機器人與系統國際會議（IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS）正式召開。受疫情影響，本該在拉斯維加斯舉行的 IROS 2020 改在線上舉辦，並且史無前例的通過線上免費向公眾開放。

在IROS 2020上，香港中文大學（深圳）機器人與人工智慧實驗室的題目為《FreeBOT: A Freeform Modular Self-reconfigurable Robot with Arbitrary Connection Point - Design and Implementation》的論文被提名為機器人機構設計最佳論文（Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design）。

有趣而具有挑戰的MSRR

模塊化自重構機器人（Modular Self-Reconfigurable Robot, MSRR）是近年來的研究熱點。MSRR系統由許多重複的模塊單元組成，這些模塊可以通過改變連接關係重新改變成不同的構型。

近年來，國內外學者設計了許多有趣的MSRR，它們基本上可以分為三種類型：晶格式、鏈式和混合式。

儘管這些MSRR採用了不同的結構和不同的連接方式，它們都有一些缺點：

• 在現有的MSRR中，模塊間的連接要求精準對齊，很耗時且成功率低。一旦在崎嶇的地形中，模塊之間很難建立連接。
• 通過改變模塊間的連接關係，MSRR系統可以變換成不同的構型。現有MSRR的連接機構都位於模塊的某一個面或某一個點上；再加上連接機構的數量有限，這限制了系統組合構型的多樣化，極大地限制了MSRR解決不確定任務的能力。

因此，如何設計一個有效的、自由組合的MSRR模塊仍然是一個挑戰。

巴克球帶來靈感

該如何突破MSRR的局限性呢？巴克球給了研發人員一些靈感。

巴克球本質上是一些磁性小球，在人的外界幹預下，一堆巴克球可以自由地變化成各種形式。研發人員正是希望賦予多機器人系統這樣的特性，讓多機器人系統能夠自主地、自由地形成各種形狀，產生不同的功能，滿足不同任務的需要。

新型模塊化自重構機器人FreeBOT

受巴克球的啟發，論文提出了一個新型的模塊化自重構機器人FreeBOT，它可以在其他機器人表面上任意點自由連接。

FreeBOT主要由兩部分組成：球形鐵磁性外殼和內部磁鐵。模塊之間的連接是無性的和即時的，因為內部磁鐵可以自由地吸引其他FreeBOT的鐵磁性球殼，而不需要與特定的連接器精準對齊。這種連接方式具有更少的物理約束，因此可以將FreeBOT系統擴展到更多的構型以滿足更多的功能需求。

FreeBOT雖然只有兩個電機，但可以完成多項任務：模塊獨立運動、連接器管理和系統重構。FreeBOT可以在平面上獨立移動，甚至可以爬上鐵磁性的牆壁；一群FreeBOT可以穿越複雜的地形。大量的實驗測試表明，FreeBOT系統具有實現自由組合機器人的巨大潛力。

FreeBOT展示了一些有趣的運動能力。一個FreeBOT可以在平地上獨立的移動；甚至爬上鐵磁性的斜坡；甚至爬上垂直的鐵磁性牆壁。

一群FreeBOT可以展現更有趣的協作運動。一個FreeBOT可以與另外一個FreeBOT自由地連接/分離；組合在一起後，一個FreeBOT可以在另外一個FreeBOT的表面自由的運動。

兩個FreeBOT可以協作地完成超出個體能力的任務。

潛力巨大，未來可期

研發人員相信，電影《超能陸戰隊》中具有自由組合特性的「微磁機器人」是模塊化自重構機器人的終極目標，而FreeBOT是香港中文大學（深圳）機器人與人工智慧實驗室為了實現這個目標而走出的第一步。

未來，他們會基於FreeBOT開展更多協同規划算法的研究，以實現一個自由組合的FreeBOT系統。此外，研發人員將增加FreeBOT的數量，以充分展示FreeBOT在實現更多模塊化自重構機器人應用方面的巨大潛力。期望不久的將來，FreeBOT能夠實現電影中的微磁機器人的震撼場景，實現真正的自由組合機器人。

關於作者

本文第一作者為香港中文大學（深圳）在讀博士生梁冠琪，其導師為林天麟教授。目前他的研究方向包括模塊化自重構機器人和現場機器人。