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電影里的磁性球體機器人成真?

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提起機器人,很多人都會直覺地聯(lián)想到機械狀的人形,或者是像波士頓動力狗一般的四足仿生機器人。它們模擬人或者其他動物的肌肉和骨骼結構。其實“機器人”的范疇遠遠不止于此,電影《超能陸戰(zhàn)隊》就展示了另外兩種對于“機器人”的想象,一個是有柔軟皮膚,又會主動安慰人的“大白”;一個是由無數(shù)微磁單元組成、任意變形的機器人。 這種類型的機器人叫做模塊化自重構機器人(Modularself-reconfigurable robot, MSRR)。這種機器人屬于一種特殊的多機器人系統(tǒng),由大量同構的機器人模塊組成。相比于形態(tài)固定的機器人,這類機器人功能多樣、可擴展性強、也具有更強的魯棒性。 “《超能陸戰(zhàn)隊》里面這個例子,是我覺得是MSRR最終希望做到的,有點像生物的細胞,幾百億甚至幾千億個小細胞作為單元,組成了一個龐大而且復雜的生命共同體,最終這個共同體能夠根據(jù)需求自由地改變形狀及功能。”香港中文大學(深圳)理工學院的梁冠琪對 DeepTech 說。目前,他在該校的機器人與人工智能實驗室讀博二,導師是實驗室執(zhí)行副主任林天麟教授。林天麟教授是IEEE高級會員,師從中國工程院院士徐揚生教授。 前不久,梁冠琪作為第一作者的論文獲得了IEEE智能機器人與系統(tǒng)國際會議(IROS)的機器人機構設計(Robot Mechanism and Design)最佳論文獎。獲獎的是一種叫做 FreeBOT 的球形機器人系統(tǒng),它們之間能夠通過磁性自由地連接在一起。 IROS 是機器人領域在全球范圍內(nèi)規(guī)模最大的兩個頂級會議之一,這是中國內(nèi)地高校近十年來第一次獲得 IROS 最佳論文獎項。 機器人機構設計最佳論文獎為今年新增獎項,梁冠琪所在的團隊因此成為首屆獲獎者。而除了這篇論文獲獎,林天麟團隊此次有三篇關于 MSRR 的論文都被 IROS 接收。另外兩篇論文的分別研究了系統(tǒng)中單個模塊的相對定位,以及作為整個系統(tǒng)的機器人快速重構算法。 連接不受限制的磁性球體機器人 MSRR 機器人與常見的機器人在形態(tài)上有很大的差別,在設計思路上也不同。人形機器人、四足機器人、或者無人機,這些機器人形態(tài)固定,在設計時會考慮從某些具體功能出發(fā)。 而 MSRR 機器人則是另外一種思路,不針對特定的任務而設計??茖W家們希望它能夠隨著任務和環(huán)境的不同,迅速改變自身的構型,從而實現(xiàn)更廣泛的功能。這種思路受到了群居生物的啟發(fā)。群居動物組合在一起能夠完成遠超出個體能力的復雜任務。比如螞蟻,在遇到個體難以通過的地形時,能夠彼此銜接身體,組成橋梁等復雜結構。 圖|其它 MSRR 連接方式與 FreeBOTs 的比較(來源:論文) 因此, MSRR 機器人設計的一個核心問題是模塊間的連接機構?,F(xiàn)有的MSRR系統(tǒng)的連接方式都存在某些約束,兩個模塊間需要精確地對準才能連接,并且存在特定的連接面,類似航天器的對接方式。 梁冠琪介紹,在思考 FreeBOT 的設計時,林教授希望能夠盡可能地減少對連接的限制,甚至做到能迅速及任意進行連接的效果?,F(xiàn)實生活中的巴克球這種智力玩具也給了他們啟發(fā)。巴克球是一個帶磁性的小球,一大群巴克球能自由組合成各種各樣的形狀。 FreeBOT也是利用磁力與另一個FreeBOT表面上任意一點進行連接,擺脫了傳統(tǒng)MSRR需要在特定連接點進行連接的約束。 這一性能是如何實現(xiàn)的?FreeBOT 的結構主要分為兩部分:外部一個鐵磁性球殼,以及內(nèi)部的驅動器。內(nèi)部驅動器上有輪子、馬達、磁鐵等部件。 驅動器像一個小車帶著磁鐵在球殼內(nèi)部運動,從而改變FreeBOT的重心分布及磁作用力的方向,一方面賦予FreeBOT獨立移動的能力,另一方面能讓FreeBOT通過磁力在另一個FreeBOT上自由走動。 如圖所示,當驅動器靠近兩個圓球的外在接觸點時,傳導到表面的磁性就能夠讓兩個FreeBOT連接在一起。連接或者斷開連接只需要0.5秒的時間。 圖| FreeBOT 之間的分離和連接(來源:論文) 這樣,內(nèi)部的驅動器,既實現(xiàn)了對單個 FreeBOT 運動的控制,同時也能夠控制球外部的磁性傳導。 憑借內(nèi)部的強大磁體,單個的 FreeBOT 就可以爬上有磁性的斜坡甚至墻面。論文還展示了兩個 FreeBOT 合作完成一些超越個體能力的任務。 磁鐵在驅動器的底部,它就會對外殼始終保持磁力,讓靠近它的球殼表面具有磁性;同時,磁鐵與球殼的內(nèi)面又非直接接觸,而是橡膠輪與球殼內(nèi)面接觸,這樣可以通過控制橡膠輪,讓磁鐵在球殼內(nèi)部旋轉方向。 要實現(xiàn)自由迅速的連接,磁鐵的選型以及其距離外部鐵殼的距離需要恰到好處,梁冠琪介紹,試驗中間經(jīng)歷過很多次失敗。 磁性會隨著距離而衰減,因此要盡可能靠近球殼內(nèi)壁,但是如果太近,也會出現(xiàn)問題。“太近的話,由于磁鐵的吸力很大,就直接把小車吸在了球殼上,并且會導致小車形變,就沒有辦法讓小車在球殼內(nèi)自由運動?!绷汗阽骰貞浰趯嶒炛械玫降慕?jīng)驗。 獲獎論文所展示的是第一代的版本,梁冠琪介紹,他們目前正在研究結構設計上的細節(jié)優(yōu)化。 林天麟所指導的三篇關于多機器人系統(tǒng)的論文同時入選 IROS ,展現(xiàn)了團隊在這一方向上的探索。 林天麟教授是IEEE高級會員,師從中國工程院院士徐揚生教授。他在機器人和自動化系統(tǒng)的研發(fā)方面擁有豐富的成果,大部分論文均發(fā)表于機器人和自動化領域的頂級國際期刊及國際會議,如T-RO,JFR,T-MECH,ICRA和IROS等。除了模塊化機器人系統(tǒng),軟體機器人、多機器人系統(tǒng)、人機協(xié)作都是團隊的研究方向。 他也是深圳市人工智能與機器人研究院(AIRS)的成員。這個研究院依托于香港中文大學(深圳),是深圳市政府設立的十大基礎研究機構之一。 此次入選 IROS 的另外兩篇論文,分別研究了系統(tǒng)中單個機器人的相對定位,以及作為整個系統(tǒng)的機器人快速重構算法。 系統(tǒng)中單個機器人的相對定位是指,系統(tǒng)中任意一部機器人實時確定出其他機器人相對于自身的位置和方位。這是一個由多個機器人組成的系統(tǒng)正常工作的前提。 整個系統(tǒng)的快速重構算法則是幫助一個機器人系統(tǒng)識別環(huán)境并且改變整體構型。比如多個 FreeBOT 組成的機器人系統(tǒng),需要夠根據(jù)路面情況的不同,連續(xù)調整隊列,持續(xù)前進。 針對這個問題,一篇論文進行了算法設計。在仿真實驗中,一個 FreeBOT 系統(tǒng)能夠快速適應復雜的表面,通過“變換隊形”上臺階,翻越障礙物。 用MSRR進行非結構化環(huán)境探索 《超能陸戰(zhàn)隊》中,小宏設計的微磁機器人系統(tǒng)能夠組成一只巨大的手掌,并做出招手的姿勢。這樣一個動作看起來簡單,在設計上卻非常困難?!斑@要求最下面的模塊,能夠提供這樣一個自由度,這里面就有物理學上的瓶頸?!绷汗阽鹘榻B。 這是長遠的目標。不過短期內(nèi),科學家們希望 MSRR 能夠幫助人類進行非結構的環(huán)境探索,尤其是地震、火災等環(huán)境中完成探索、越障、抓取等任務。如在災后的廢墟現(xiàn)場。現(xiàn)在也有一些探勘環(huán)境的機器人,比如蛇形機器人可以探索一些狹窄的縫隙,不過遇到斷橋或者高樓這樣的結構,運動依舊會受限,而一個 MSRR 機器人就能夠更靈活地適應各種地形。 假設災后現(xiàn)場有一個很小的隧道,而生還者在隧道的另一頭,這時候機械臂的功能無法施展開, MSRR 就可以用小模塊的方式通過隧道,到另一端再重新構型,并且實現(xiàn)機械臂的功能。 要實現(xiàn)這樣的功能,就需要比較大規(guī)模的系統(tǒng)。梁冠琪介紹,梁冠琪介紹,目前FreeBOT只是驗證了一種能實現(xiàn)迅速并任意連接的機構設計。 而未來,團隊希望能夠在機器人上部署傳感器及控制器,使其成為分布式的自主系統(tǒng)。此外,當更多的FreeBOT構成一個系統(tǒng)的時候,就需要定位和運動規(guī)劃的算法指導其移動。更大的系統(tǒng)也對傳感器部署、增強FreeBOT的機械性能、更長時間的續(xù)航提出了更高的要求。 FreeBOT 是梁冠琪科研道路上的第一個作品,他告訴 DeepTech ,在導師手把手的指導下,他開始慢慢領悟如何去設計機器人?!拔覐睦蠋熒砩蠈W到一點,是觀察身邊會動的東西,然后去思考聯(lián)系?!? 他會去留意身邊各種會動的東西,觀察他們是為什么能動,比如商場里常見的鼓風機充氣玩偶,會受到氣流的影響一直搖擺,也有設計成機器人的潛力?!靶路f機器人的設計,無非是通過一些新穎的結構和方法為機器人提供自由度。而這些自由度是怎么來的,大自然和日常生活往往會告訴我們一些有趣的答案?!? 原文標題:《超能陸戰(zhàn)隊》磁性球體機器人成真?中國內(nèi)地高校近十年來首獲機器人頂會IROS最佳論文獎 文章出處:【微信公眾號:DeepTech深科技】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。 責任編輯:haq

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