装配机器人把小零件组装成大结构

今天的商用飞机通常是分段制造的，通常在不同的地方——机翼在一个工厂，机身部分在另一个工厂，尾部部件在其他地方——然后用大型货机空运到中央工厂进行最后的组装。如果最后的组装是唯一的组装，整架飞机是由一大批微小的相同部件组成的，所有这些部件都由一群微型机器人组装在一起，那会怎么样?

这就是研究生本杰明·杰内特(Benjamin Jenett)与麻省理工学院比特与原子中心(CBA)的尼尔·格申菲尔德(Neil Gershenfeld)教授合作的博士论文所追求的愿景。现在，这种机器人的原型可以组装小型结构，甚至可以作为一个团队一起工作来组装更大的组件。

“其核心是一种新型机器人，我们称之为相对机器人，”格申菲尔德说。他解释说，从历史上看，机器人分为两大类:一类是由昂贵的定制组件制成的，这些组件经过精心优化，适合工厂组装等特定应用;另一类是由廉价的批量生产模块制成的，但性能要低得多。然而，新的机器人是两者的替代品。它们比前者简单得多，但比后者更有能力，它们有可能彻底改变大型系统的生产，从飞机到桥梁到整个建筑物。

根据Gershenfeld的说法，关键的区别在于机器人设备和它所处理和操纵的材料之间的关系。有了这些新型机器人，“你不能把机器人和结构分开——它们作为一个系统一起工作，”他说。例如，虽然大多数移动机器人需要高度精确的导航系统来跟踪它们的位置，但新的装配机器人只需要跟踪它们与它们目前正在处理的小亚单位(称为体素)的关系。每当机器人向下一个体素迈出一步时，它就会重新调整它的位置感，这总是与它此刻所站的特定组件有关。

潜在的愿景是，就像最复杂的图像可以通过使用屏幕上的像素阵列来重现一样，几乎任何物理对象都可以被重新创建为一组较小的三维块或体素，体素本身可以由简单的支柱和节点组成。该团队已经证明，这些简单的组件可以有效地分配负载;它们主要由开放空间组成，这样结构的总重量就最小化了。这些单元可以被简单的组装器拾取并放置在彼此相邻的位置，然后使用每个体素内置的锁定系统将它们固定在一起。

机器人本身就像一个小手臂，中间有两个长段铰接，两端有固定体素结构的装置。这些简单的装置像尺蠖一样四处移动，通过反复打开和关闭它们的v形身体，沿着一排体素前进，从一个移动到另一个。珍妮特给这些小机器人取名为BILL-E(向电影《机器人》致敬)瓦力)，代表双足各向同性点阵移动探索者。

Jenett已经构建了几个版本的组装器作为概念验证设计，以及相应的体素设计，这些设计具有锁定机制，可以轻松地将每个组装器与相邻的组装器连接或分离。他使用这些原型来演示将积木组装成线性、二维和三维结构。“我们没有把精确度放在机器人上;“精度来自于结构”，因为它逐渐成形，珍妮特说。“这与所有其他机器人不同。它只需要知道下一步在哪里。”

Gershenfeld是CBA的主任，他说，当它组装碎片的时候，每个小机器人都可以数它在结构上的台阶。他说，加上导航，这让机器人在每一步都能纠正错误，消除了典型机器人系统的大部分复杂性。“它缺少大多数常用的控制系统，但只要它不漏掉任何一步，它就知道自己在哪里。”

在实际装配应用中，由于研究生阿米拉·阿卜杜勒-拉赫曼开发的控制软件，一群这样的机器人可以一起工作来加快装配过程，这可以让机器人协调工作，避免互相妨碍。

这种使用简单的机器人系统将相同的子单元组装成大型结构，就像一个孩子用乐高积木组装一座大城堡一样，已经吸引了一些主要潜在用户的兴趣，包括麻省理工学院在这项研究中的合作伙伴美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航空航天公司空客SE。

这种装配的一个优点是，维修和维护可以通过与初始装配相同的机器人过程轻松处理。损坏的部分可以从结构上拆卸下来，用新的部分代替，产生一个和原来一样坚固的结构。“重建和重建同样重要，”Gershenfeld说，随着时间的推移，这个过程也可以用来对系统进行修改或改进。

“对于空间站或月球栖息地来说，这些机器人将生活在结构上，不断地维护和修复它，”珍妮特说。

为构建高效、复杂、大型结构提供了令人惊叹的视角，这在航空航天应用中至关重要。”

但是组装这样的系统是一个挑战，Fekete说，他计划加入研究小组进一步开发控制系统。“这就是使用小型和简单的机器人有望提供下一个突破的地方:机器人不会感到疲倦或无聊，使用许多微型机器人似乎是完成这项关键工作的唯一途径。”本·杰内特和他的合作者们的这一极其原创和聪明的工作，在建造可动态调节的飞机机翼、巨大的太阳帆，甚至是可重构的太空栖息地方面迈出了一大步。”

在这个过程中，Gershenfeld说:“我们感觉我们正在发现一个混合材料的新领域——机器人系统。”

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程、CFE传媒科技;cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程机器人的故事。

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