10、模块化机器人系统 M - TRAN 的分布式变形控制

模块化机器人系统 M - TRAN 的分布式变形控制

1 引言

模块化机器人由众多自主模块组成，每个模块都配备了执行器、传感器和处理器。这些模块既能机械连接，又能相互通信与协作。即便单个模块的连接和运动自由度有限，整个系统仍能形成多样结构并实现灵活运动。自重构模块化机器人可自行控制模块间的机械连接，完成重构操作。

作为分布式自主系统，模块化机器人有望具备像生物一样的灵活性、鲁棒性、容错性和适应性。目前，模块化机器人的硬件研究主要集中在两个方面： locomotion（运动）和 self - reconfiguration（自重构）。本文着重探讨通过分布式控制实现自重构，朝着分布式自主系统迈进。

此前已有相关研究，如 CEBOT 等，之后又开发了二维系统“Fracta”和“Metamorphic Robot”，并尝试通过分布式控制实现从任意配置到目标配置的变形。随后，多种三维机器人模块和算法相继被提出。然而，三维系统的开发仍面临挑战，硬件性能很大程度上依赖机械设计。多数已开发的机器人仅实现了小规模自重构，大规模自重构算法也仅通过模拟验证。实验验证困难主要源于以下限制：
1. 生产的模块数量少；
2. 模块强度不足，难以操作或支撑结构；
3. 连接可靠性低、速度慢或功耗大。

为解决上述问题，我们持续开发了名为 Modular Transformers（M - TRANs）的系统。此前使用 M - TRAN I 和 II 实现了一些 3 - D 自重构和分布式运动控制，但实验中的模块数量有限，复杂重构难以实现，主要原因在于上述第三点。

为此，我们开发了第三代原型 M - TRAN III，其连接机制更快且功耗更低。我