模組化自重構機器人 由多個獨立機器人模組組成，可透過調整模組間的連線方式重新構型成多種形態，以適應不同任務和環境需求。其模組化與可重構性賦予了系統強大的多功能性、容錯能力和經濟高效性，使其在多領域套用中展現出廣闊前景。隨著技術的不斷進步和多樣化設計理念的興起，這類機器人的種類日趨豐富，不同類別透過各自的形態與功能特點進行描述，致使該領域的分類體系日益模糊。
為此， 香港中文大學（深圳）的研究團隊對近40年來的模組化自重構機器人硬件與設計進行了全面調研，提出了一套創新且統一的概念框架，用於深入理解模組化自重構機器人系統的硬件構成。 該框架涵蓋了三個關鍵要素：連結器、執行器以及同質性。透過這一三分框架，研究團隊提供了一種直觀的方式，幫助理解模組化自重構機器人硬件叠代的多樣性，並對整個領域進行系統分類與解讀，構建了一個更加結構化的視角。該框架揭示了模組化自重構機器人的基本內容與設計理念，並透過創新分類方法解析其技術優勢與功能特點，助力系統功能最佳化。研究團隊還基於此框架分析了領域的發展歷程、現狀及挑戰，為學者與從業者提供了重要洞見與未來方向。
相關論文以「Decoding modular reconfigurable robots: A survey on mechanisms and design」為題發表在【International Journal of Robotics Research】雜誌上，第一作者為香港中文大學（深圳）梁冠琪博士，通訊作者為林天麟教授。
▍ 模組化自重構機器人的過去與現在
在過去四十年中，模組化自重構機器人領域經歷了飛速發展。 從最初僅具備簡單物理連線的平面多機器人系統，逐步演變為能夠適應多種復雜環境的高度多樣化設計。隨著技術的不斷進步，這類機器人從二維擴充套件至三維空間，發展出鏈式、晶格式、桁架式和自由式等多種結構形態，展現出越來越強的自我構建和組合能力，套用潛力日益廣泛。 技術裏程碑之一是機器人逐步具備自重構和自組裝的能力，這顯著提升了其工作效率和功能拓展性。 同時，演算法的進步大幅促進了硬件技術的發展，使得這一領域迅速成熟，吸引了越來越多的跨學科研究力量加入，推動了相關技術的快速推廣和套用。
隨著模組化自重構機器人硬件的不斷進步，不同設計範式的湧現為該領域已建立的標準和分類框架帶來了程度不同的模糊性。 目前的常見分類包括晶格式、鏈式、移動式、桁架式和自由形態式。這些類別依據各自的形態和功能特征進行描述，但分類之間的交叉性和模糊性日益明顯，許多系統同時具備多種類別的特征。
這一現象與技術發展的時代背景密切相關。某些開創性機器人在特定時期取得了顯著進展，推動了當時的設計潮流，並催生了新的分類類別。盡管近年來機器人技術在設計多樣化方面取得了顯著進展，但標準化分類框架與技術發展的矛盾依然存在。 面對不斷變化的設計範式，迫切需要共同努力，建立一套科學嚴謹且符合當前技術水平的標準化分類方法，以解決機器人設計中的標準化和一致性問題。
▍ 創新框架：解析模組化自重構機器人
論文提出了一個新穎的概念框架，將模組化自重構機器人解耦為三個關鍵要素：連結器、執行器和同質性。 連結器的主要功能是將獨立的機器人模組整合為一個統一的整體，而執行器則引發這些模組之間的相對運動。同質性方面則評估系統中各模組之間的固有差異，以區分系統是由單一模組類別還是多種模組類異位成。隨著技術的進步，分類方法日益復雜，導致了一定程度的混亂。然而，上述三個基本要素強調了內在內容，為理解這一領域提供了新的視角。
論文詳細解釋了這些概念結構，並透過多個範例強化其內容。此外，還評估了現有廣泛認可的分類法與新框架之間的一致性，闡明它們的相互關系。透過強調基本內容，旨在為設計原則奠定更有說服力的基礎，並為未來硬件開發提供實用指導。
連結器：Monogamy vs Polygamy
模組化自重構機器人的連結器在模組之間的物理連線中起關鍵作用，其設計影響系統的拓撲結構。以往研究探討了連結器的性別、數量和公差等特性，主要關註對接機構的技術進步。論文提出了兩種新概念連結器：Monogamy和Polygamy。
Monogamy連結器： 實作一對一連線，每個連結器只與一個對應連結器配對，確保專內容。該設計廣泛套用於模組化機器人中，透過圖論分析指導連線規劃，影響機器人拓撲結構。
Polygamy連結器： 支持一對多連線，使單個模組能夠同時與多個模組連線，提升系統的靈活性與復雜性，形成更復雜的拓撲結構。
執行器：Joint DoF vs Spatial DoF
模組化自重構機器人的運動主要依賴於調整模組間的相對位置，以實作由執行器驅動的自由度。論文對執行器進行了詳細闡述，劃分為Joint DoF和Spatial DoF兩類，探討單個模組與多模組系統的自由度及其組合形式。歷史上，這些自由度可概括為鏈式和晶格式結構，揭示了執行器在模組運動與重構中的核心作用。
Joint DoF： 涉及模組內連結器間的運動，允許透過旋轉或平移調整相對位置和姿態。透過這種自由度，模組能夠形成鏈式或分支形態，促進模組間的動態協作，從而實作靈活的鏈式結構運動。
Spatial DoF： 涉及模組在空間中獨立移動的能力，改變位置和姿態，支持模組重新構型。這一自由度賦予系統更高的擴充套件性和適應力，使其在動態環境中實作客製化的任務執行與靈活重構。
同質性：Homogeneous vs Heterogeneous
前文簡述了執行器與連結器的基本特征，概括了系統中單元模組的特性。模組的同質性在系統功能和效能上起到關鍵作用。論文重點探討同質與異質模組的區別及其對系統的影響。模組通常分為Homogeneous和Heterogeneous兩類，前者強調統一性與相容性，後者則追求多樣性與功能擴充套件。盡管傳統模組化機器人多以同質模組為主，但近年來異質模組的套用日漸普及，推動了系統功能的提升。
Homogeneous： 由相同模組組成，賦予系統容錯性與冗余性。在模組故障時，系統能夠自重構，保持魯棒性，同時簡化控制和協調。這種設計在歷史上被廣泛套用於模組化機器人。
Heterogeneous： 由不同類別模組組成，盡管增加了系統規劃的復雜性，但透過模組間的專業化，提升了整體功能和效能，顯著提高了系統的效率。
▍ 創新框架與傳統分類法的相容
多年來，模組化自重構機器人的格局不斷演變，湧現出多種設計和分類。 現有的分類方式包括晶格式、鏈式、移動式、桁架式、自由式甚至混合式。這些分類之間的界限往往模糊，存在顯著的重疊。
論文基於新提出的三分框架，重新審視以往流行的模組化自重構機器人分類，重點在於澄清這些傳統分類之間的區別及其相互關系，特別是與基本要素的一致性。 為這些傳統分類提供了精確的定義，並闡明了它們與基本要素的關系，相關資訊已匯總在下表中。希望這一重新審視能為技術理解提供新視角，並透過揭示模組化自重構機器人類別的基本設計原理和實際套用，促進該領域的進一步發展。
▍ 模組化自重構機器人系統的演變與能力特征
隨著時間的推移，模組化自重構機器人系統不斷取得顯著進步， 如下表所示。從最初的二維環境出發，技術的發展使得這一系統的功能得以擴充套件至三維環境，涵蓋了自重構、自組裝和增強連線等一系列功能。
論文深入探討模組化自重構機器人的發展裏程碑，總結出在其演進過程中六個具有代表性的能力特征。 每一特征不僅象征著相應的技術和設計創新，也彰顯了系統對不斷增長的任務需求的適應能力。
▍ 總結
模組化自重構機器人因其靈活變換形狀的能力而受到關註，推動了設計與套用的探索。然而，缺乏統一的分類和定義導致了領域內的混淆。為解決這一問題，論文提出了一個創新的三分框架，將模組化機器人解構為連結器、執行器和同質性三個基本元素，並深入分析演進技術，增強對各發展階段的理解。最後，基於該框架，文章總結了面臨的挑戰與前景，探討了提升功能和釋放潛力的研究方向，以推動機器人領域的發展。
▍ 其他資訊
本研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、廣東省傑出青年科學基金的支持。
