科研速递 | 理工学院林天麟教授团队提出一种新型自由连接的模块化自重构机器人，相关论文被T-RO接收

近日，理工学院林天麟教授团队在机器人领域顶级期刊IEEE Transactions on Robotics (T-RO)发表题为“Configuration Identification for a Freeform Modular Self-reconfigurable Robot – FreeSN”的文章。

文章提出了一种新型自由连接的模块化自重构机器人FreeSN及其构型感知系统。FreeSN包含节点模块和连杆模块，可组合成桁架结构并具有连续自由的连接，通过构型感知系统，可以完成闭环控制，进而实现系统行为。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10232916/

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期刊介绍

IEEE Transactions on Robotics为机器人学领域公认的三大顶级期刊之一（T-RO / IJRR / Sci. Rob.），涉及机器人技术各个领域的原创理论、算法、设计等，代表了机器人领域最先进的重大进展。

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研究背景

与传统机器人系统相比，模块化自重构机器人系统具有更好的鲁棒性和适应性。本文提出了一种名为FreeSN的新型自由连接以及桁架结构的模块化自重构机器人，由节点模块和连杆模块组成。节点模块表面为铁球壳。连杆模块包含两个磁性自由连接器，可以连接到节点模块的任何位置并运动。准确的构型感知对于模块化机器人系统的自动化至关重要，而目前暂无对于自由连接的模块化自重构机器人的构型感知系统。本文介绍了一种用于FreeSN的新型构型感知系统，包括连接点磁定位、模块识别、模块相对位姿融合和系统构型估计。在节点模块中集成了磁传感器阵列。本文提出了一种基于图卷积网络的磁定位算法，该算法可以在铁球壳干扰的情况下高效定位数量可变的磁铁阵列。然后，通过将磁定位结果与惯性测量单元和轮式里程计数据融合，可以估计邻接模块的相对姿态。最后，该构型感知系统可以估计机器人系统全局构型，包括连接拓扑图和所有模块的相对位姿。本文通过一系列精度评估实验和两个基于库的闭环自动化控制演示对该构型感知系统进行了验证。

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研究内容

论文提出了一款新型的模块化自重构机器人FreeSN。该机器人模块基于无约束自由连接机构，能够实现更加鲁棒与快速地自重构，以更好地适应不同的非结构化环境。同时，该机器人系统能够组成类似桁架以及并联机器人的拓扑结构，保证了模块化机器人系统的结构稳定性与可扩展性。

该模块化自重构机器人系统包含两种机器人模块：节点模块和连杆模块。连杆模块包含两个磁性自由连接器以及驱动电路。磁性连接器包含磁铁列阵，能够对节点模块表面的铁球壳产生强大的吸引力，因而能够连接在节点模块表面任意位置，并通过轮式驱动单元实现自由移动。同时，磁铁抬升机构能够改变磁性连接强度，以实现断开连接以及自重构能力。节点模块内部集成了磁传感器阵列，可以对相连接的连杆模块进行识别并定位连接点。

本文提出了基于磁的邻接模块定位及识别系统。节点模块内部的磁传感器阵列感知附近的磁场变化，基于图卷积神经网络的磁定位方法，节点模块可以定位相连接连杆模块的中心点并进行追踪。同时，连杆模块可以通过微调磁铁阵列位置改变附近区域磁场，进而与节点模块进行磁通讯，实现邻接模块识别。

通过融合磁定位结果，惯性测量单元及轮式里程计数据，本文提出了FreeSN邻接模块姿态滤波器。同时基于磁识别结果，构型感知系统可以得到系统连接拓扑图，并结合邻接模块相对姿态对系统全局构型进行估计。

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研究结论

本文提出了一种新型的自由连接的模块化自重构机器人FreeSN，包含节点模块和连杆模块两种异构单元。一个连杆模块可以同时连接于两个节点模块的任意位置，机器人系统因而可以组成桁架结构。本文同时提出了FreeSN的构型感知系统，包括连接点磁定位、模块识别、邻接模块姿态融合和系统构型估计。基于该构型感知系统，FreeSN可以完成闭环控制，进而实现系统行为。

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作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院/AIRS 智能机器人中心主任林天麟教授。

林天麟，香港中文大学（深圳）助理教授，博士生导师，IEEE高级会员，广东省杰出青年基金获得者，现担任机器人与智能制造国家地方联合工程实验室执行副主任，及深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）智能机器人中心主任。师从徐扬生院士，分别于2006年和2010年在香港中文大学获得一等荣誉学士学位和博士学位。研究方向包括新型移动机器人，模块化自重构机器人，及人机协作等。以第一/通讯作者，在T-RO、T-IP、T-MECH、J-FR等顶尖期刊和ICRA、IROS等顶级会议上发表论文45篇，授权美国专利3项及国家发明专利42项，出版英文专著2部。以第一作者获IEEE/ASME Transactions on Mechatronics期刊年度最佳论文奖，以通讯作者获IROS机器人机构设计最佳论文奖。相关研究成果被路透社、探索频道、日本放送协会NHK、IEEE Spectrum、Wired等众多国际知名媒体广泛报导。作为项目负责人，主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划“智能机器人”重点专项课题、广东省杰出青年基金等多个项目。担任国家自然科学基金项目评审专家、国家质检总局特种作业机器人标准化工作组特邀委员、多个国际期刊及会议的编委。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）在读博士生涂宇啸。

涂宇啸，香港中文大学（深圳）在读博士生，研究方向为模块化自重构机器人。目前以第一作者在IEEE Transaction on Robotics、ICRA等顶级期刊会议上发表论文数篇。

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团队介绍

AIRS 智能机器人中心由林天麟教授领导，旨在研究多机器人系统自由组成各种形态以解决不可预知问题的关键技术，通过简单智能体的集群实现复杂的智能群体行为，让机器人系统拥有可复用、自由构型、可拓展、故障自修复等通用特性，为机器人设计领域创造出一种全新切实可行的实现形态。

团队长期从事机器人和人工智能研究，开发了十余种机器人和智能系统。在承担国家科研项目方面经验丰富，获得了国家自然科学基金面上项目、国家科技部 “智能机器人”重点研发计划项目等多项纵向项目资助。科研成果发表于 T-RO、T-IP、T-MECH、JFR、ICRA、IROS 等机器人与自动化领域的国际顶级期刊和会议上。关于 FreeBOT 的研究成果获2020年 IROS 机器人机构与设计最佳论文奖，IEEE Spectrum、日本放送协会 NHK 和Engadget 等多家国际知名媒体对其进行了广泛报道。

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团队主页：

https://freeformrobotics.org

团队B站：

CUHKSZ-RAIL

* 相关论文信息由论文作者提供

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