用于評價和比較自重構機器人系統的框架被開發

發布時間:2020-03-16 14:00    來源:中國機器人網
 

關鍵詞:自重構機器人

摘要:自重構機器人(Self-reconfigurable robots,SRRs)指能夠自動改變形狀,并適應周圍環境的機器人,近年來引起了機器人界的廣泛關注。這些機器人非常有用,因為它們可以在對周圍環境的感知以及適當行為的規劃和執行方面有高度自主性。雖然過去的研究已經引入了一些方法來對這些機器人進行分類,但是仍然缺乏標準步驟來評價它們的性能。

  自重構機器人(Self-reconfigurable robots,SRRs)指能夠自動改變形狀,并適應周圍環境的機器人,近年來引起了機器人界的廣泛關注。這些機器人非常有用,因為它們可以在對周圍環境的感知以及適當行為的規劃和執行方面有高度自主性。雖然過去的研究已經引入了一些方法來對這些機器人進行分類,但是仍然缺乏標準步驟來評價它們的性能。

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  考慮到這一點,最近,由中山大學和新加坡理工大學的研究人員開發了一個用于自重構機器人分類和評估的框架。他們的研究成果發表在IEEE Access上,研究由新加坡國家機器人研發計劃辦公室提供資助。

  “到目前為止,研究人員已經為自重構機器人的分類設計了一種定性方法,但還沒有能夠指導設計者、制造商和機器人用戶的定量方法,”該研究的研究人員之一Abdullah Aamir Hayat對TechXplore說道:“這促使我們為自重構機器人制定一個框架和評估方法。”

  在自重構機器人中,改變形狀以完成既定任務的能力主要取決于機器人采用的機構類型及其自主等級。雖然一部分自重構機器人系統是完全自主的,但另外的機器人依然需要某種程度的手動遠程操作(manual teleoperation)。

  在機構層面,機器人可分為三大類:內部重構(intra- reconfiguration)、相互重構(inter-reconfiguration)和嵌套重構(nested reconfiguration)。內部重構和相互重構的區別在于機器人可用的配置數量和這些配置的規模。

  內部重構和相互重構的區別在于,前者涉及一個機器人模塊,該模塊可以在不進行任何裝配或拆卸的情況下改變其形態;后者涉及兩個或多個可裝配或拆卸的模塊。同時集成內部重構和相互重構便構成了嵌套重構。

(圖片來源:Tan等)

  內部重構涉及一個單一的機器人模塊,它可以在不進行任何裝配或拆卸的情況下改變其形態,而相互重構涉及兩個或多個模塊,它們可以裝配或拆卸。最后,由Mohan Rajesh Elara教授和Kristin L.Wood教授提出的嵌套重構結合了內部重構和相互重構的特點。

  在他們的論文中,Hayat和他們的同事介紹了可用于評估自重構機器人的指標,量化了SRR的自主等級和可用配置的數量。這些指標結合起來形成了一個TAEV框架,它可以指導研究人員和制造商評估他們的機器人系統。

  “我們的工作通過根據意義形態學(meaning morphology)和涉及的模塊數量分配索引,來量化機構的可重構性。”Hayat解釋道,“這些索引用三軸坐標系中的兩個軸(X-和Y-)表示。第三個軸(Z-)用于自主等級所給出的指標,該指標使用由六個性能指標組成的蛛網模型(cobweb evaluation model)計算,即重構規劃、決策制定、界面自主性、感知和工作空間。”

  Hayat和他的同事開發的框架的主要優點在于,他們在論文中所概述的三維分類空間(3-D taxonomy space)為給定的自重構機器人分配了一個唯一的索引,因此它可用于設計比較研究(trade-off studies),并設計評價或比較不同自重構機器人在同一任務中的性能的方法。

  Hayat說:“我們提出的通用框架可以應用于許多現有的自重構機器人,不僅可以根據它們的尺寸、運動方式等進行定性分類,還可以對它們進行定量分類,包括機器人的機構和自主等級。”

  在未來,這種TAEV框架有助于更有效地評價自重構機器人,同時也可以確定其局限性和優化方向。研究人員和制造商都可以使用它來比較不同機器人在相同任務中的性能,或者評價同一機器人的不同版本。在他們的論文中,Hayat和他們的同事還根據現有機器人討論了新框架的其他潛在應用。

  “我們的發現表明,具有自主特性的新型機器人設計占據三維空間的潛力十分巨大,嵌套式可重構結構(nested reconfigurable architectures)可能有許多實際應用。”Hayat說道,“有鑒于此,我們的團隊正致力于實現新的內部重構、相互重構和嵌套重構機器人結構,以自主實現清潔和監視之類的維護任務。”

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