International Journal of Robotics Research综述分享：深度解析模块化自重构机器人前世今生
模块化自重构机器人由多个独立机器人模块组成，可通过调整模块间的连接方式重新构型成多种形态，以适应不同任务和环境需求。其模块化与可重构性赋予了系统强大的多功能性、容错能力和经济高效性，使其在多领域应用中展现出广阔前景。随着技术的不断进步和多样化设计理念的兴起，这类机器人的种类日趋丰富，不同类别通过各自的形态与功能特点进行描述，致使该领域的分类体系日益模糊。
为此，香港中文大学（深圳）的研究团队对近40年来的模块化自重构机器人硬件与设计进行了全面调研，提出了一套创新且统一的概念框架，用于深入理解模块化自重构机器人系统的硬件构成。该框架涵盖了三个关键要素：连接器、执行器以及同质性。通过这一三分框架，研究团队提供了一种直观的方式，帮助理解模块化自重构机器人硬件迭代的多样性，并对整个领域进行系统分类与解读，构建了一个更加结构化的视角。该框架揭示了模块化自重构机器人的基本属性与设计理念，并通过创新分类方法解析其技术优势与功能特点，助力系统功能优化。研究团队还基于此框架分析了领域的发展历程、现状及挑战，为学者与从业者提供了重要洞见与未来方向。
相关论文以“Decoding modular reconfigurable robots: A survey on mechanisms and design”为题发表在《International Journal of Robotics Research》杂志上，第一作者为香港中文大学（深圳）梁冠琪博士，通讯作者为林天麟教授。 ▍模块化自重构机器人的过去与现在
在过去四十年中，模块化自重构机器人领域经历了飞速发展。从最初仅具备简单物理连接的平面多机器人系统，逐步演变为能够适应多种复杂环境的高度多样化设计。随着技术的不断进步，这类机器人从二维扩展至三维空间，发展出链式、晶格式、桁架式和自由式等多种结构形态，展现出越来越强的自我构建和组合能力，应用潜力日益广泛。技术里程碑之一是机器人逐步具备自重构和自组装的能力，这显著提升了其工作效率和功能拓展性。同时，算法的进步大幅促进了硬件技术的发展，使得这一领域迅速成熟，吸引了越来越多的跨学科研究力量加入，推动了相关技术的快速推广和应用。
随着模块化自重构机器人硬件的不断进步，不同设计范式的涌现为该领域已建立的标准和分类框架带来了程度不同的模糊性。目前的常见分类包括晶格式、链式、移动式、桁架式和自由形态式。这些类别依据各自的形态和功能特征进行描述，但分类之间的交叉性和模糊性日益明显，许多系统同时具备多种类别的特征。
这一现象与技术发展的时代背景密切相关。某些开创性机器人在特定时期取得了显著进展，推动了当时的设计潮流，并催生了新的分类类别。尽管近年来机器人技术在设计多样化方面取得了显著进展，但标准化分类框架与技术发展的矛盾依然存在。面对不断变化的设计范式，迫切需要共同努力，建立一套科学严谨且符合当前技术水平的标准化分类方法，以解决机器人设计中的标准化和一致性问题。
▍创新框架：解析模块化自重构机器人
论文提出了一个新颖的概念框架，将模块化自重构机器人解耦为三个关键要素：连接器、执行器和同质性。连接器的主要功能是将独立的机器人模块整合为一个统一的整体，而执行器则引发这些模块之间的相对运动。同质性方面则评估系统中各模块之间的固有差异，以区分系统是由单一模块类别还是多种模块类别构成。随着技术的进步，分类方法日益复杂，导致了一定程度的混乱。然而，上述三个基本要素强调了内在属性，为理解这一领域提供了新的视角。
论文详细解释了这些概念结构，并通过多个示例强化其属性。此外，还评估了现有广泛认可的分类法与新框架之间的一致性，阐明它们的相互关系。通过强调基本属性，旨在为设计原则奠定更有说服力的基础，并为未来硬件开发提供实用指导。
连接器：Monogamy vs Polygamy
模块化自重构机器人的连接器在模块之间的物理连接中起关键作用，其设计影响系统的拓扑结构。以往研究探讨了连接器的性别、数量和公差等特性，主要关注对接机构的技术进步。论文提出了两种新概念连接器：Monogamy和Polygamy。
Monogamy连接器：实现一对一连接，每个连接器只与一个对应连接器配对，确保专属性。该设计广泛应用于模块化机器人中，通过图论分析指导连接规划，影响机器人拓扑结构。
Polygamy连接器：支持一对多连接，使单个模块能够同时与多个模块连接，提升系统的灵活性与复杂性，形成更复杂的拓扑结构。
执行器：Joint DoF vs Spatial DoF
模块化自重构机器人的运动主要依赖于调整模块间的相对位置，以实现由执行器驱动的自由度。论文对执行器进行了详细阐述，划分为Joint DoF和Spatial DoF两类，探讨单个模块与多模块系统的自由度及其组合形式。历史上，这些自由度可概括为链式和晶格式结构，揭示了执行器在模块运动与重构中的核心作用。
Joint DoF：涉及模块内连接器间的运动，允许通过旋转或平移调整相对位置和姿态。通过这种自由度，模块能够形成链式或分支形态，促进模块间的动态协作，从而实现灵活的链式结构运动。
Spatial DoF：涉及模块在空间中独立移动的能力，改变位置和姿态，支持模块重新构型。这一自由度赋予系统更高的扩展性和适应性，使其在动态环境中实现定制化的任务执行与灵活重构。
同质性：Homogeneous vs Heterogeneous
前文简述了执行器与连接器的基本特征，概括了系统中单元模块的特性。模块的同质性在系统功能和性能上起到关键作用。论文重点探讨同质与异质模块的区别及其对系统的影响。模块通常分为Homogeneous和Heterogeneous两类，前者强调统一性与兼容性，后者则追求多样性与功能扩展。尽管传统模块化机器人多以同质模块为主，但近年来异质模块的应用日渐普及，推动了系统功能的提升。
Homogeneous：由相同模块组成，赋予系统容错性与冗余性。在模块故障时，系统能够自重构，保持鲁棒性，同时简化控制和协调。这种设计在历史上被广泛应用于模块化机器人。
Heterogeneous：由不同类型模块组成，尽管增加了系统规划的复杂性，但通过模块间的专业化，提升了整体功能和性能，显著提高了系统的效率。
▍创新框架与传统分类法的兼容
多年来，模块化自重构机器人的格局不断演变，涌现出多种设计和分类。现有的分类方式包括晶格式、链式、移动式、桁架式、自由式甚至混合式。这些分类之间的界限往往模糊，存在显著的重叠。
论文基于新提出的三分框架，重新审视以往流行的模块化自重构机器人分类，重点在于澄清这些传统分类之间的区别及其相互关系，特别是与基本要素的一致性。为这些传统分类提供了精确的定义，并阐明了它们与基本要素的关系，相关信息已汇总在下表中。希望这一重新审视能为技术理解提供新视角，并通过揭示模块化自重构机器人类型的基本设计原理和实际应用，促进该领域的进一步发展。
▍模块化自重构机器人系统的演变与能力特征
随着时间的推移，模块化自重构机器人系统不断取得显著进步，如下表所示。从最初的二维环境出发，技术的发展使得这一系统的功能得以扩展至三维环境，涵盖了自重构、自组装和增强连接等一系列功能。
论文深入探讨模块化自重构机器人的发展里程碑，总结出在其演进过程中六个具有代表性的能力特征。每一特征不仅象征着相应的技术和设计创新，也彰显了系统对不断增长的任务需求的适应能力。
▍总结
模块化自重构机器人因其灵活变换形状的能力而受到关注，推动了设计与应用的探索。然而，缺乏统一的分类和定义导致了领域内的混淆。为解决这一问题，论文提出了一个创新的三分框架，将模块化机器人解构为连接器、执行器和同质性三个基本元素，并深入分析演进技术，增强对各发展阶段的理解。最后，基于该框架，文章总结了面临的挑战与前景，探讨了提升功能和释放潜力的研究方向，以推动机器人领域的发展。 ▍其他信息
本研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、广东省杰出青年科学基金的支持。