林天麟教授在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
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)專(zhuān)注于模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究，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。
近日，林教授團(tuán)隊(duì)在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域再獲突破，在國(guó)際頂級(jí)期刊International Journal of Robotics Research（IJRR）上連續(xù)發(fā)表了2篇論文。這是林教授團(tuán)隊(duì)繼2023年創(chuàng)下“單年發(fā)表5篇T-RO論文”的歷史之后的又一里程碑，再次證明了團(tuán)隊(duì)的技術(shù)積累與創(chuàng)新能力，也彰顯了香港中文大學(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。
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期刊介紹
International Journal of Robotics Research（IJRR）是機(jī)器人領(lǐng)域的高水平學(xué)術(shù)期刊，專(zhuān)注于發(fā)布關(guān)于機(jī)器人技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果。IJRR創(chuàng)刊于1982年，是該領(lǐng)域第一本學(xué)術(shù)期刊。自創(chuàng)刊以來(lái)，IJRR致力于發(fā)表原創(chuàng)性、深入思考和引人入勝的論文，以卓越的學(xué)術(shù)質(zhì)量和廣泛的學(xué)術(shù)影響力在國(guó)際學(xué)術(shù)界享有極高聲譽(yù)。IJRR 2023全年共收錄原創(chuàng)論文57篇，其中5篇來(lái)自中國(guó)（含港澳臺(tái)地區(qū)）。
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一、解析模塊化自重構(gòu)機(jī)器人：機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)
2024年10月，IJRR在線(xiàn)發(fā)表題為“Decoding modular reconfigurable robots: A survey on mechanisms and design”的論文。該論文提出了一個(gè)創(chuàng)新且統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化框架，解決了模塊化自重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性問(wèn)題。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。
模塊化自重構(gòu)機(jī)器人可通過(guò)調(diào)整模塊的分布和連接方式，重新構(gòu)型以適應(yīng)不同的任務(wù)和環(huán)境需求。其模塊化與可重構(gòu)性賦予系統(tǒng)強(qiáng)大的多功能性、容錯(cuò)能力和經(jīng)濟(jì)性，在多領(lǐng)域應(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊前景。隨著技術(shù)進(jìn)步和設(shè)計(jì)理念的多樣化，模塊化機(jī)器人種類(lèi)日益增多，不同形態(tài)和功能的機(jī)器人使得該領(lǐng)域分類(lèi)體系日趨模糊，亟需建立一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)且符合當(dāng)前技術(shù)水平的標(biāo)準(zhǔn)化分類(lèi)方法，以解決機(jī)器人設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性問(wèn)題。
本文對(duì)過(guò)去近40年來(lái)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人硬件與設(shè)計(jì)的進(jìn)展進(jìn)行了全面回顧，提出了一種創(chuàng)新且統(tǒng)一的概念框架，以深入理解模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件組成。該框架由三個(gè)關(guān)鍵要素構(gòu)成：連接器、執(zhí)行器和同質(zhì)性。通過(guò)這一三分框架，本文為理解模塊化自重構(gòu)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)的多樣性提供了一種直觀(guān)且結(jié)構(gòu)化的視角，進(jìn)而對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性分類(lèi)與解讀。框架不僅揭示了模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)理念與特性，還通過(guò)創(chuàng)新的分類(lèi)方法分析了不同設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與功能特點(diǎn)，推動(dòng)了系統(tǒng)功能的優(yōu)化。此外，本文還評(píng)估了現(xiàn)有廣泛使用的分類(lèi)方法與新框架之間的一致性，探討了它們之間的相互關(guān)系。通過(guò)強(qiáng)調(diào)基本屬性，該框架為設(shè)計(jì)原則的確立提供了理論支持，并為硬件開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。本文還回顧了該領(lǐng)域的發(fā)展歷程，探討了當(dāng)前的研究現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，為模塊化自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域提供了重要洞見(jiàn)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1177/02783649241283847
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二、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人快速準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)
2024年11月，IJRR在線(xiàn)發(fā)表題為“Linear-time quasi-static stability detection for modular self-reconfigurable robots”的論文。該論文提出了一種適用于任意構(gòu)型的穩(wěn)定性檢測(cè)算法，為模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的在線(xiàn)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。香港中文大學(xué)（深圳）博士生吳迪為論文第一作者，林天麟教授為論文獨(dú)立通訊作者。
構(gòu)型穩(wěn)定性問(wèn)題是制約模塊化自重構(gòu)機(jī)器人從演示走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的有限元方法難以有效處理冗余約束的互補(bǔ)效應(yīng)，且計(jì)算復(fù)雜。本文提出了一種輕量化的準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)方法，首次考慮了環(huán)境摩擦力和非平坦地形對(duì)機(jī)器人內(nèi)部穩(wěn)定性的影響，并定義了內(nèi)部穩(wěn)定裕度及其計(jì)算方法。該方法為模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的在線(xiàn)構(gòu)型優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供了基礎(chǔ)，也為并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的冗余約束問(wèn)題提供了新的解決思路。
本文提出了一種適用于非平坦地形和任意構(gòu)型的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人線(xiàn)性時(shí)間準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定性檢測(cè)算法。首先，系統(tǒng)地闡述和分析了模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)中存在的內(nèi)部約束，揭示了五種失穩(wěn)模式（四種局部失穩(wěn)和一種整體失穩(wěn)）。隨后，研究了單模塊與其他模塊及環(huán)境的交互，推導(dǎo)了模塊的受力穩(wěn)定性條件，并以緊湊矩陣形式表示了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性條件。結(jié)合各向異性連接器約束模型，確定了系統(tǒng)的可行穩(wěn)定狀態(tài)集合。為評(píng)估構(gòu)型穩(wěn)定性，提出了連接器特征連接強(qiáng)度模型，分析了連接器的受壓狀態(tài)?；诖耍瑯?gòu)建了一個(gè)以最小化構(gòu)型中最大連接器的特征連接強(qiáng)度為目標(biāo)的二階錐規(guī)劃問(wèn)題，結(jié)合構(gòu)型穩(wěn)定性、連接器約束及環(huán)境約束，優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)求解該優(yōu)化問(wèn)題，獲得構(gòu)型的臨界穩(wěn)定狀態(tài)和穩(wěn)定裕度，有效預(yù)測(cè)可能的連接斷裂點(diǎn)。最后，以團(tuán)隊(duì)提出的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人FreeSN為驗(yàn)證對(duì)象，進(jìn)行仿真和物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方法能夠快速評(píng)估構(gòu)型穩(wěn)定性，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)斷裂點(diǎn)，驗(yàn)證了方法的有效性和實(shí)用性。
論文鏈接：https://doi.org/10.1177/02783649241286491
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教授介紹
林天麟，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，IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)廣州分會(huì)副主席。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。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Nature Communications、IJRR、T-RO、TPAMI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，獲熊有倫智湖優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)、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)。擔(dān)任TASE、JFR、《機(jī)器人》等多個(gè)知名期刊及會(huì)議的副編輯。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，主持國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委的多項(xiàng)科研課題。其團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究成果多次被中央電視臺(tái)、路透社、探索頻道、IEEE Spectrum等眾多國(guó)際知名媒體報(bào)道。
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