“变形金刚”走进现实 变胞理论让机器人学会变形技巧

◎本报记者 陈 曦 通讯员 刘晓艳

如何能让机器像变形金刚一样自如地在各种形态之间来回切换？英国皇家工程院院士、天津大学教授戴建生从人类进化和细胞分裂重组过程中获得灵感，领衔完成的“机构演变与变胞机理发现及其几何形态变构理论与分岔调控机制”项目（以下简称变胞理论），让机器机构变构有了理论体系支撑，也让机器变形变构设计减少了实践试错，变得更加容易。近日，该项目在天津市科学技术奖中获得自然科学一等奖。

灵感源自细胞分裂重组过程

就像人们同时做很多项工作会感到“手忙脚乱”一样，传统结构的机器往往也只能完成单一的工作，面对复杂甚至需要改变自己结构形态才能完成的工作时往往就会无能为力了。

比如轮式机器人在野外作业时，面对平缓的路面可以快速滚过去，但如果遇到台阶，轮式机器人就“力不从心”了。如果此时车轮变形成轮腿式构型，机器人则可以轻松跨越障碍物。

2000年前，戴建生在设计与开发机器人自动包装生产线时就遇到了同样的难题。他发现，传统机械多指手手掌都是一整块钢板固定的结构，至多分为两块或三块。如果能模仿人手手掌结构，灵活运动，机械多指手就能进行更多的操作了。于是经过设计改造，戴建生制作了可以自由活动的仿人灵巧手。遇到孔洞的时候，灵巧手可以模仿人手攥拳，伸到孔洞里，而后再伸展开进行各种操作。

在不同场景中，机械构型改变是必须的也是千变万化的。而每次这些具有不同自由度的新构型都要重新进行设计，这就涉及到结构、轴、关节等诸多方面的技术参数的协调统一。特别是复杂构形的改变，涉及到的东西更多。因此每一次实践，就会经历大量试错，浪费人力物力，导致效率低下。

“是否可以有一套理论，来支撑机器与机械根据实际需求‘变身重构’，‘动态演变’，灵活地适应变化的工作环境与功能需求？”团队成员、天津大学现代机构学与机器人学中心执行主任康荣杰教授解释戴建生的理论，就像蝴蝶从毛毛虫破茧成蝶这一过程背后蕴藏着精妙的生物演化机理一样，机器构型的设计综合与演变分析也需要一套创新的理论体系来指导。戴建生于1998年提出该理论，并于1999年与中国工程院院士张启先共同命名该理论为变胞机构。戴建生在之后二十多年的深耕中，逐步建立起一套完整的变胞理论。

让机器变构设计变得更容易

把灵感付诸实践需要严谨的科研，面对传统机器拓扑与活动度一成不变，难以满足多工况多需求的难题，项目团队在戴建生的带领下，经过20年深耕，在国家自然科学基金委项目的支持下，在国内数个院校众多学者共同协助下，团队建立了机器机构演化理论体系，开展了机器机构演变机理研究，完成了大量原创且国际领先的工作，创立了变胞机构和可重构机构新研究领域。

变胞理论开创了可重构机构与可重构机器人大领域，变胞机构子领域，首次提出了不同于传统设计且具有变活动度、变构态、变拓扑的变胞机构/可重构机构理念。

团队还创立了融合旋量理论、李群理论、微分流形三大理论的变胞理论体系，揭示了变胞机构/可重构机构的演变机理。“就是把数学工具融会贯通，找到本质相通的地方，构建一套起源本质的变胞机构/可重构机构创新与综合设计体系。”戴建生解释说。

此外，团队还攻克了变胞机构与可重构机器人驱动选择、变构调控等关键科学问题，建立了变胞机构/可重构机构的构态调控机制与控制策略。

“也就是说，有了变胞理论，在设计变形机器的时候，只需要按照需求约束好各种条件，输入参数，按照变胞理论提供的‘公式’，就可以设计出轴、关节等如何布置了。”康荣杰说。

应用变胞理论，团队开发了绝缘子劣化诊断与维护、输电线路巡检、断股补修等多款变胞电力机器人以及可变各种形态各种爬行姿势的变胞足式机器人。

团队成员，机器人学国家重点实验室、沈阳自动化所研究员王洪光介绍说，南方很多输电线路架设在崇山峻岭中，电路巡检主要靠人工，劳动强度大，危险性高。传统的巡检机器人在翻越线路杆塔的时候难以完成。利用变胞机构“一机多能、一机多用”的特点，提升了线路巡检机器人的行走与越障能力以及环境适应性，进而提升了“输—变—配”电力设备的智能化运维水平。

此外，团队研发的变胞多指灵巧手应用于中国航天员科研训练中心特种防护服测试装备，服务于国家载人航天工程。他们研发的变胞灵巧手与变胞足式机器人项目被孵化成天津大然机器人和深圳大寰机器人两个学生创办的高科技创业公司。同时，该理论指导了数个国家自然科学基金委项目研究与国家重点研发计划项目研究，服务于国家重大需求。