林天麟教授在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域取得重大突破
香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院、深圳市人工智能與機(jī)器人研究院林天麟教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事模塊化可重構(gòu)機(jī)器人及多機(jī)器人系統(tǒng)的研究，近年來(lái)在知名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了一系列創(chuàng)新成果。
2023年，林天麟教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊T-RO上共發(fā)表了5篇論文。根據(jù)dblp數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，林天麟教授是T-RO創(chuàng)刊歷史上單年發(fā)文量居首位的學(xué)者之一，在單年內(nèi)以獨(dú)立通訊作者身份發(fā)表了5篇論文。這是對(duì)林教授團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的技術(shù)積累和研究貢獻(xiàn)的肯定，也展現(xiàn)了香港中文大學(xué)（深圳）在粵港澳大灣區(qū)乃至國(guó)內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域的科研實(shí)力。
教授介紹
林天麟，是機(jī)器人與智能制造國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，深圳市人工智能與機(jī)器人研究院中心主任，廣東省杰出青年基金獲得者，IEEE高級(jí)會(huì)員。
他師從港中大（深圳）校長(zhǎng)徐揚(yáng)生院士，分別于2006年和2010年在香港中文大學(xué)獲得一等榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位。林教授長(zhǎng)期從事模塊化機(jī)器人、多機(jī)器人系統(tǒng)及特種機(jī)器人的研究工作，至今在T-RO、TPAMI、TMECH、TIP、TNNLS等機(jī)器人與人工智能領(lǐng)域知名期刊及會(huì)議發(fā)表論文100余篇，其中2023年以獨(dú)立通訊作者身份在T-RO發(fā)表論文5篇；獲TMECH年度最佳論文獎(jiǎng)、IROS機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)最佳論文獎(jiǎng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，林教授主持國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委的多項(xiàng)科研課題。其相關(guān)研究成果多次被路透社、探索頻道、IEEE Spectrum等眾多國(guó)際知名媒體報(bào)導(dǎo)。
團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介
Freeform Robotics團(tuán)隊(duì)由林天麟教授領(lǐng)導(dǎo)，于2019年成立，旨在研究多機(jī)器人系統(tǒng)自由組成各種形態(tài)以解決不可預(yù)知問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單智能體的集群實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能群體行為，讓機(jī)器人系統(tǒng)擁有可復(fù)用、自由構(gòu)型、可拓展、故障自修復(fù)等通用特性，為機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域創(chuàng)造出一種全新切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)形態(tài)。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事機(jī)器人和人工智能研究，承擔(dān)來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等多項(xiàng)重要研究項(xiàng)目；科研成果發(fā)表于T-RO、TPAMI、TMECH、TIP等機(jī)器人與人工智能領(lǐng)域的國(guó)際期刊和會(huì)議上。關(guān)于模塊化自重構(gòu)機(jī)器人FreeBOT的研究成果獲2020年IROS機(jī)器人機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)最佳論文獎(jiǎng)，IEEE Spectrum、日本放送協(xié)會(huì)NHK和Engadget 等多家國(guó)際知名媒體對(duì)其進(jìn)行了廣泛報(bào)道。
?
期刊介紹
IEEE Transactions on Robotics（T-RO）是電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）于1985年創(chuàng)辦的機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊，該期刊發(fā)表的研究論文代表了機(jī)器人領(lǐng)域最先進(jìn)的重大進(jìn)展，內(nèi)容廣泛涉及理論、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究、分析、算法、集成以及應(yīng)用案例研究等多個(gè)前沿領(lǐng)域，要求在理論和工程實(shí)踐方面共同推動(dòng)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展。
?
01 球形滾動(dòng)接觸運(yùn)動(dòng)建模及控制
2023年2月，IEEE T-RO在線(xiàn)發(fā)表題為“Kinematics Modeling and Control of Spherical Rolling Contact Joint and Manipulator”的論文。該論文首次提出并討論了球形滾動(dòng)接觸運(yùn)動(dòng)。香港中文大學(xué)（深圳）博士后宗立軍為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
滾動(dòng)點(diǎn)接觸運(yùn)動(dòng)因其減小磨料磨損、擴(kuò)大構(gòu)型空間、簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于球形機(jī)器人、多指機(jī)器人手、機(jī)械臂關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。然而，目前關(guān)于圓形滾動(dòng)點(diǎn)接觸（CRC）關(guān)節(jié)的研究?jī)H限于1-DOF。本文引入了兩個(gè)滾動(dòng)點(diǎn)接觸運(yùn)動(dòng)球之間的虛擬切平面概念，通過(guò)四元數(shù)和軸-角表示，簡(jiǎn)明扼要地描述了SRC關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并建立了SRC關(guān)節(jié)的所有模型要素，包括旋轉(zhuǎn)矩陣、位置向量和自由模態(tài)等。利用SRC關(guān)節(jié)模型和阻尼最小二乘法等方法，系統(tǒng)規(guī)范地建立了SRC關(guān)節(jié)機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。
本文以改進(jìn)的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人FreeBOT為例，實(shí)現(xiàn)了SRC關(guān)節(jié)和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)?；谖锢矸抡嬉鏄?gòu)建了SRC關(guān)節(jié)機(jī)械臂的仿真環(huán)境，真實(shí)模擬了SRC關(guān)節(jié)機(jī)械臂的物理運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，利用FreeBOT搭建了SRC關(guān)節(jié)機(jī)械臂的實(shí)物系統(tǒng)。在仿真系統(tǒng)和實(shí)物上驗(yàn)證了SRC關(guān)節(jié)和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)模型以及FreeBOT的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法，機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度在同時(shí)控制位置時(shí)達(dá)到位置誤差小于4mm，姿態(tài)誤差小于1.5°；同時(shí)驗(yàn)證了在狹窄空間內(nèi)，SRC 關(guān)節(jié)機(jī)械臂能夠?qū)崟r(shí)地躲避障礙物，并且機(jī)械臂末端執(zhí)行器高精度地到達(dá)期望位姿。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9858332
?
02 球形模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的連接規(guī)劃
2023年4月，IEEE T-RO在線(xiàn)發(fā)表題為“Auto-Optimizing Connection Planning Method for Chain-Type Modular Self-Reconfiguration Robots”的論文。該論文提出了鏈?zhǔn)侥K化機(jī)器人的一種連接規(guī)劃方法。香港中文大學(xué)（深圳）博士生羅浩波為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
模塊化自重構(gòu)機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境和任務(wù)在不同的構(gòu)型之間轉(zhuǎn)換，連接規(guī)劃算法指定了重構(gòu)過(guò)程中每一步應(yīng)該斷開(kāi)或新建的連接。連接規(guī)劃結(jié)果的效率決定了整個(gè)自重構(gòu)過(guò)程的速度。以往的研究已經(jīng)證明最優(yōu)連接規(guī)劃問(wèn)題的NP完全性，意味著多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)難以找到最優(yōu)解。當(dāng)前研究的兩個(gè)主要方向是計(jì)算近優(yōu)解的多項(xiàng)式時(shí)間算法和計(jì)算最優(yōu)解的指數(shù)時(shí)間算法。
本文首先將硬件模塊抽象為多入度單出度（MISO）模塊，其中模塊的被動(dòng)連接點(diǎn)總數(shù)和主動(dòng)連接點(diǎn)總數(shù)可以分別被轉(zhuǎn)化為圖論中節(jié)點(diǎn)的入度和出度。構(gòu)型的連接關(guān)系可以表達(dá)為鄰接矩陣，進(jìn)而繪制為簡(jiǎn)單有向圖。本文提出了入度匹配（IM）算法，其中提出了子樹(shù)相異度的概念，利用連接點(diǎn)的可交換性減少冗余步驟，以獲得初始構(gòu)型和最終構(gòu)型的公共子圖。
本文介紹了樹(shù)型分支與定界（TBB）算法，其中提出了新的分支策略和階段成本，并從理論上證明了 TBB 在指數(shù)時(shí)間內(nèi)保證到達(dá)全局最優(yōu)解的計(jì)算復(fù)雜度。通過(guò)判斷子匹配節(jié)點(diǎn)的累加階段成本并剪枝從而減小搜索空間。TBB算法的上界由多項(xiàng)式時(shí)間算法的解的代價(jià)初始化，在每次得到一個(gè)近優(yōu)解時(shí)逐步下調(diào)，最終逼近全局最優(yōu)解。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9962372
?
03 異構(gòu)多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)在多機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用
2023年8月，IEEE T-RO在線(xiàn)發(fā)表題為“Asymmetric Self-Play-Enabled Intelligent Heterogeneous Multirobot Catching System Using Deep Multiagent Reinforcement Learning”的論文。該論文提出了一種創(chuàng)新的多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架，并實(shí)現(xiàn)其在機(jī)器人圍捕任務(wù)中的應(yīng)用。深圳市人工智能與機(jī)器人研究院高源博士為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
多機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)涉及協(xié)調(diào)和控制多個(gè)機(jī)器人的復(fù)雜性問(wèn)題領(lǐng)域。目前，已經(jīng)有很多關(guān)于同構(gòu)機(jī)器人的研究，但越來(lái)越多的關(guān)注點(diǎn)集中在具有不同功能和特點(diǎn)、共同工作的異構(gòu)設(shè)置上。
本文提出了一種基于演員-評(píng)委（Actor-Critic）多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架，旨在解決異構(gòu)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)在合作博弈中的挑戰(zhàn)。該框架通過(guò)融合不對(duì)稱(chēng)自我博弈和課程學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)之間的合作行為。這一創(chuàng)新框架使得異構(gòu)多機(jī)器人系統(tǒng)能夠在真實(shí)世界的約束條件下執(zhí)行復(fù)雜的捕捉任務(wù)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估不同機(jī)制對(duì)方法性能的影響，并通過(guò)現(xiàn)實(shí)世界試驗(yàn)評(píng)估了系統(tǒng)在復(fù)雜真實(shí)圍捕問(wèn)題中的表現(xiàn)。此外，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了與S2M2方法的橋接研究，結(jié)果表明本文所提方法在對(duì)抗性環(huán)境下表現(xiàn)更優(yōu)越。通過(guò)在訓(xùn)練期間融合不對(duì)稱(chēng)自我博弈和課程學(xué)習(xí)的框架，研究團(tuán)隊(duì)成功地在模擬和真實(shí)世界約束條件下完成了異構(gòu)多機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的捕捉任務(wù)，為未來(lái)大規(guī)模智能安全與救援異構(gòu)多機(jī)器人團(tuán)隊(duì)提供了有力的方向。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10101687
?
04模塊化自由重構(gòu)機(jī)器人及構(gòu)型識(shí)別
2023年12月，IEEE T-RO在線(xiàn)發(fā)表題為“Configuration Identification for a Freeform Modular Self-reconfigurable Robot – FreeSN”的論文。該論文提出了一個(gè)自由連接及桁架結(jié)構(gòu)的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了其構(gòu)型感知功能。香港中文大學(xué)（深圳）博士生涂宇嘯為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
與傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)相比，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性。在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種名為FreeSN的新型自由連接及桁架結(jié)構(gòu)的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)，其由節(jié)點(diǎn)模塊和連桿模塊組成。節(jié)點(diǎn)模塊的表面覆蓋著鐵球殼，并集成了磁傳感器陣列。而連桿模塊則包含兩個(gè)磁性自由連接器，可連接到節(jié)點(diǎn)模塊的任意位置并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
在本文中，研究團(tuán)隊(duì)引入了一種適用于FreeSN的創(chuàng)新構(gòu)型感知系統(tǒng)，其中包括連接點(diǎn)磁定位、模塊識(shí)別、模塊相對(duì)位姿融合和系統(tǒng)構(gòu)型估計(jì)等方面。節(jié)點(diǎn)模塊內(nèi)置的磁傳感器陣列可感知周?chē)艌?chǎng)的變化，通過(guò)基于圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁定位方法，節(jié)點(diǎn)模塊能夠定位連桿模塊的中心點(diǎn)并進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。同時(shí)，連桿模塊通過(guò)微調(diào)磁鐵陣列的位置改變周?chē)鷧^(qū)域的磁場(chǎng)，從而與節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行磁通訊，實(shí)現(xiàn)鄰接模塊的準(zhǔn)確識(shí)別。接著，通過(guò)將磁定位結(jié)果與慣性測(cè)量單元和輪式里程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，能夠估計(jì)鄰接模塊的相對(duì)姿態(tài)。最終，該構(gòu)型感知系統(tǒng)可以全面估計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的全局構(gòu)型，包括連接拓?fù)鋱D和所有模塊的相對(duì)位姿?；谠摌?gòu)型感知系統(tǒng)，F(xiàn)reeSN得以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的特定行為。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列精度評(píng)估實(shí)驗(yàn)和兩個(gè)基于庫(kù)的閉環(huán)自動(dòng)化控制演示對(duì)該構(gòu)型感知系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10232916
?
05 球形齒輪結(jié)構(gòu)及其靈巧關(guān)節(jié)應(yīng)用
2023年12月，IEEE T-RO在線(xiàn)發(fā)表題為“DISG: Driving-Integrated Spherical Gear Enables Singularity-Free Full-Range Joint Motion”的論文。該論文提出了一個(gè)新穎的驅(qū)動(dòng)集成球形齒輪結(jié)構(gòu)并討論了其作為靈巧關(guān)節(jié)的特性。香港中文大學(xué)（深圳）博士生梁冠琪為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
近年來(lái)，機(jī)器人領(lǐng)域?qū)`巧關(guān)節(jié)的興趣日益增加，特別是球形齒輪引起了廣泛關(guān)注。球形齒輪作為傳統(tǒng)平面齒輪的三維擴(kuò)展，具備多個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，能夠改變空間方向，因此在實(shí)現(xiàn)多自由度單關(guān)節(jié)方面展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。然而，目前對(duì)球形齒輪的研究主要集中在被動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)上，而現(xiàn)有基于球形齒輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在靈巧性和運(yùn)動(dòng)范圍方面仍有待提升。
本文介紹了一種創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)集成球形齒輪（DISG），提出了一種全球面嚙合和可驅(qū)動(dòng)的球形齒輪結(jié)構(gòu)，由在經(jīng)度和緯度方向上均能?chē)Ш系那蛐锡X輪組合而成。此外，通過(guò)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)磁體和被動(dòng)跟隨磁體跨越上述球形齒輪，保持磁性連接，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)球形齒輪之間的全球面可驅(qū)動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈巧的多自由度滾動(dòng)接觸關(guān)節(jié)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和一系列原型機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示DISG具備無(wú)奇異和全范圍工作空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。與其他關(guān)節(jié)執(zhí)行器相比，DISG在靈巧性、運(yùn)動(dòng)范圍、緊湊性和輕量化方面都表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10266738
?
