可重构机器人

可以根据任务或环境的变化而改变构形的机器人

可重构机器人是一种可以根据任务或环境的变化而改变构形的机器人。通过对模块进行组合，可重构机器人能够简单快速的装配成适合不同任务的几何构形，这种组合不仅仅是简单的机械重构，还包括控制系统的重构。重构后的机器人不但能适应新的工作环境和工作任务，而且具有很好的柔性。

可重构机器人

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引言

从理论上来讲，机器人是一种柔性设备，它能通过编程来适应新的工作，然而实际应用中很少使用这种情况．但传统的机器人都是根据特定的应用范围来开发的，固然对那些任务明确的产业应用来讲，这种机器人已经足够满足实际需要了，然而由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求，解决这一题目的方法就是开发可重构机器人系统，它是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构形的机器人，以适应不同的工作．因此可重构机器人系统的研究已引起越来越多的研究者和产业应用的爱好。当前国内外，主要是美、日的一些研究小组对可重构机器人的体系结构、变形策略和控制算法等进行了研究。可重构机器人因其在工业、科技、军事等领域的重要作用而广泛受到国内外特别是发达国家的关注，可重构机器人的研究目前已经成为机器人研究的一个重要方向，并已取得一些重要的成果。尤其是可重构机器人融合了最新的机电、传感器及计算机控制技术，具有良好的自组织、自适应能力，能够根据环境和任务优化自身的结构，快速、有效地的完成任务，因此可重构机器人的研究在军事、航天、核工业等领域具有重大的意义。可重构机器人是一种能根据任务需要，重新组合构型的机器人，它是在模块化机器人基础上发展起来的，可重构机器人就是利用一些不同尺寸和性能的可互换的连杆和模块，根据工作环境和任务装配成不同构型的机器人。这种组合并不是简单的机械装配，参与重构机器人的各模块本身就是一种集通信、控制、驱动、传动为一体的单元，重构后的机器人将能适应新的工作环境和工作任务，具有很好的柔性。比较常见的可重构机器人，例如，蛇形机器人。运动机理特殊的蛇形机器人有广阔的应用情景，例如战场上的扫雷，爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等；且其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境。

结构

可重构机器人是由一系列相对独立的机械电子模块有机连接而成的。每一个模块都有连接、开脱及越过相邻模块的功能，每个模块允许动力和信息输入并且可以通过该模块输入到其他相邻模块，通过机器人自主改变各模块间的相对几何位置，来改变机器人的构型。根据各模块的功能和结构的异同，通常把可重构机器人分为同构系统（homogeneity）和异构系统( heterogeneity )。同构机器人系统中各模块的功能和构造相同，通过重构，各模块在新的单元中扮演不同的角色；异构机器人系统中各模块的功能和结构各异。

机器人优缺点

虽然可重构机器人已经表现出了良好的运动能力和适应环境的能力，但是与其它一切事物一样，可重构机器人也不是十全十美的尤物，它具有很多优点，当然也存在很多不足。因此，可重构机器人的应用环境和场合也受到一定的限制。

优点

通过模块的制作而构成的可重构机器人，不仅具有机构简单的特点，而且通过自身的变形组合使其能够适应很多复杂的环境。可重构机器人的运动特点能够完成以下功能：

1.可重构机器人的自由度使其身体具有很高的适应性，能够充分的适应地形，完成在各种复杂地形上的移动，例如：地震过后的楼房地板，对抢险救灾的应用十分有利。

2. 将可重构机器人的一端固定，使其成一串连接，它可以作为超冗余机械手完成各种复杂的抓取动作。而且其本身的自由度就可以作为操作臂的夹持器来夹持物体，不用像传统的工业机器人那样配备相应的夹持器。

3.一般，可重构机器人采用模块化设计，每个模块都相同，方便安装和维修。特别值得一提的是，近几年可重构的蛇形机器人的研究也是机器人研究的一个重点和热点领域。蛇形机器人可以作为可重构模块化机器人的一个基本体。如果在模块上设计合适的连接和断开机构，蛇形机器人即可以变形成各种形式或者组成新的机器人，还可以分开成几个可重构机器人，完成协同作业。也可以随时甩掉自身的一个或者几个模块，甩掉无法工作的模块有利于机器人的运动。

缺点

可重构机器人的优点众多，但由于身体结构、动力驱动和运动形式的原因，它也存在很多的缺点:

1.可重构机器人的较多自由度是机器人能够完成各种复杂的运动，组成各种构型。但在控制上，给完成这些自由度的软硬件控制的实现带来了巨大的压力。而且太多的自由度给驱动单元运动的驱动带来巨大压力。实验表明，可重构机器人完成三维运动需要单元具有很强的驱动能力，随着自由度数量的增加，对单元驱动能力的要求也增加。即使再巧妙设计可重构机器人机构，解决效果也是有限的。

2. 在电源供应方面，由于外漏面积较小，无法有效地利用太阳能。

3. 与传统的轮式机器人相比，可重构机器人的运动速度都很低。

应用

相对于传统的移动机器人，可重构机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中。虽然目前可重构机器人的研究尚处在实验阶段，但可重构机器人有广泛的应用前景。

可重构机器人可以应用到，但不仅仅局限在以下领域：

1. 医疗:设计小型的移动机器人，进入人体器官(如肠道、血管)完成手术和定点给药是机器人研究的一个新的热门领域。如果将可重构机器人做得非常小，就可以进入人体的肠道完成作业。

2. 科学探险和状况检查：代替或部分代人去完成危险环境中的作业是研制机器人的主要目的之一。科学探索是科学家探索大自然奥秘和丰富地质资源的有利手段，但是常常因为环境和气候恶劣，无法到达目的地完成指定的探险任务。非结构环境下的作业和运动对机器人的性能和运动形式提出了非常严格的要求。

3. 太空探索：探月工程的实施表明中国政府探索外星系的决心和信心。探月工程需要机器人来完成各种作业，正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样。目前可重构机器人已经在这方面得到应用。

4. 危险环境作业：较大的自由度以及自身结构可以替换、修整是可重构机器人有别于其它移动机器人的一大特性。它可以穿越狭小空间、进入危险环境，然后完成操作任务。安装合适的传感器后，也可以应用可重构机器人来完成排雷任务。

综上所述，可重构机器人的研究对很多重要领域有着极其重要的意义。但我国在蛇形机器人的研究还在发展阶段，还需要进一步地发展。

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