两个机器人原型把一系列小单元组装成大结构体
麻省理工学院科研人员最近提出一种新型机器人技术，即一种小型机器人系统，能够自主地用统一规格的小部件建造出大结构体。这种机器人系统未来有望用于建造飞机、房屋建筑、太空基地。
这项新的研究成果来自于麻省理工学院研究生Benjamin Jenett与麻省理工CBA（Center for Bits and Atoms）的Neil Gershenfeld教授合作的一篇博士论文，该论文发表在10月份出版的《IEEE Robotics and Automation Letters》上，共同作者还有Amira Abdel-Rahman以及Kenneth Cheung。
目前，实验室里的这种机器人原型已经可以组装出小的结构体，甚至多个机器人可以形成一个集群，共同构建出更大的结构体。
机器人越过障碍运送一个结构单元的过程
休斯顿大学电气和计算机工程副教授亚伦·贝克尔（Aaron Becker）说：“这篇论文非常棒。它融合了一流的机械设计及其精彩演示、新型机器人硬件，以及一个包含10万余个元素的模拟套件。”
“这项技术的核心是一种新型的机器人技术，我们称之为相对机器人，”Gershenfeld教授说。他解释说，从历史上看，机器人技术有两大类：一类是由昂贵的定制部件制成，这些部件经过精心优化，可应用于工业装配等；另一类是由批量生产的廉价模块制成，性能低得多。然而，论文提出的新机器人技术是两者的替代品。它比前者简单得多，又比后者的能力强得多，而且它有可能彻底改变飞机、桥梁甚至整个建筑物等大规模系统的建造方式。
Gershenfeld认为，关键的区别在于机器人本身与其所处理的材料之间的关系。他说，有了这些新型机器人，“你无法将机器人从所建造的结构体中分离出来——它们将作为系统的一部分而工作。”例如，虽然大多数移动机器人需要高度精确的导航系统来跟踪它们的位置，但这种新型装配机器人只需要跟踪它们当前正在处理的voxels（体积元素，简称体素或体元）位置即可。每当机器人踏上下一个voxels，它就会重新调整它的位置感，总是与它此刻所站的部件相关。
关于其底层原理，正如最复杂的图像可以通过使用屏幕上的像素阵列来再现一样，实际上任何物理对象都可以被重建为一系列更小的三维块或体素，这些三维块或体素本身可以由简单的枝干和节点组成。研究小组已经证明，这些简单的体素可以有效地分配荷载；它们主要由开放空间构成，因此可以最小化结构体的总重量。这些体素可以被简易的组装器拾取并放置在彼此相邻的位置，然后使用内置于每个体素中的锁闩系统将它们固定在一起。
机器人本体就像一个小手臂，有两段，中间被铰链连接，每一段的末梢都有夹钳体素结构的装置。这些机器人像毛毛虫一样四处移动，通过反复打开和关闭V形身体来从一个部件移动到下一个部件。Jenett给小机器人起了个绰号叫“BILL-E”（这是对电影《机器人WALL-E》的致敬），代表Bipedal Isotropic Lattice Locomoting Explorer（首字母缩写）。
工作中的装配机器人
Jenett已经构建了好几个版本的这种新型装配机器人，作为概念验证的设计。与此同时也进行了相应的体素设计，这些体素设计具有锁闩机制，可以轻松地将每个体素与其相邻体素连接或分离。他使用这些原型来演示如何将小部件组装成线性、二维和三维结构。Jenett说：“我们并没有把精密度放在机器人身上；精密度来自于其所建造的结构。这和其他机器人都不一样，它只需要知道下一步在哪里。”
CBA主管Gershenfeld表示，在组装这些部件的过程中，每个小型机器人都可以在结构上数出自己的步数。这让机器人除了可以导航外，还可在每一步纠正错误，消除了传统机器人系统的大部分复杂性，他说。“它省去了大多数常用的控制系统，但只要它不漏掉一步，它就知道它在哪里。”在实际的装配应用中，成群结队的这种机器人可以一同工作来加速进程，这要归功于Abdel Rahman开发的控制软件，它可以让机器人协调工作，避免路线冲突。
这种用简单机器人系统把相同子单元（体素）组装成大型结构体的装配模式，就像孩子用乐高积木组装大型城堡一样，已经吸引了一些主要潜在用户的兴趣，包括美国宇航局、麻省理工学院在这项研究上的合作者，以及欧洲航空航天公司Airbus SE（空中客车集团），后者也帮助赞助了这项研究。
这种新型装配模式的一个优点是，在维修和保养时，可以很容易地通过与初始装配相同的机器人工序来进行。损坏的部分可以从结构上拆卸下来，换上新的部分，从而形成一个和原来一样稳健的结构。Gershenfeld说：“拆卸和新建一样重要，而且随着时间的推移，这个工艺流程也可以用来对系统进行更新或改进。“
Jenett说：“对于空间站或月球基地，这些机器人将驻扎在这个结构上，不断地维护和修复它。”
Gershenfeld介绍，最终这种新型机器人系统将能够用来建造完整的建筑，特别是在太空、月球或火星等困难环境中。这可以消除从地球发送大型预装配结构的需要。取而代之的是可以发送大量的小型体素，甚至可以直接从目的地的材料中形成这些体素。“如果你能制造一架大型喷气式飞机，你就能建造一座大楼。”Gershenfeld说。
德国布伦瑞克科技大学操作系统和计算机网络研究所所长桑德尔·费凯特（Sandor Fekete）此前没有参与这项工作，他说：“超轻的数字化材料为建造高效、复杂、大规模的结构开辟了令人惊叹的前景，这些结构在航空航天应用中极其重要。”
但是装配这样的系统是一个挑战，Fekete说，为进一步开发控制系统，他计划加入这个研究团队。“使用小而简单的机器人有望实现下一个突破：机器人不会感到疲倦或无聊，使用大量微型机器人似乎是完成这项关键工作的唯一途径。Jenett和他的合作者们的这项极为独创和聪明的工作，为建造动态可调的飞机机翼、巨大的太阳帆甚至可重构的太空栖息地带来了巨大的飞跃。”
在这个过程中，Gershenfeld说，“我们感觉我们正在开创一个材料-机器人混合系统的新领域。”
Reference: “Material–Robot System for Assembly of Discrete Cellular Structures” by Benjamin Jenett, Amira Abdel-Rahman, Kenneth Cheung and Neil Gershenfeld, 23 July 2019, IEEE Robotics and Automation Letters.
DOI: 10.1109/LRA.2019.2930486
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爱吧机器人网原创编译
