克日，，，，，，我院林天麟教授团队在机械人领域顶级期刊 IEEE Transactions on Robotics (T-RO)揭晓以“Auto-Optimizing Connection Planning Method for Chain-Type Modular Self-Reconfiguration Robots”为题的文章。。。。。。。

这是继不久前在 T-RO 发文，，，，，，提出了模？？？？？？榛灾毓够等 FreeBOT 的运动学模子、运动妄想与控制要领后，，，，，，林天麟教授团队今年度第二次在 T-RO 上揭晓模？？？？？？榛等讼喙匮芯，，，，，，体现了团队在该领域深挚的手艺积累以及卓越的科研实力。。。。。。。

本次揭晓的研究事情先容了一种面向多入度单出度模？？？？？？榛等说淖钣排连妄想要领，，，，，，提出了一个使用毗连点的可交流性镌汰重构办法的多项式时间算法和一个接纳新的分支战略与阶段本钱的指数时间算法，，，，，，从而自动优化出具有最少疏散和附着行动的重构序列，，，，，，并验证了提出的要领具有快速盘算近优解、逐渐靠近全局最优解等优点。。。。。。。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9962372

期刊先容

IEEE Transactions on Robotics为机械人学领域公认的三大顶级期刊之一（T-RO / IJRR / Sci. Rob.），，，，，，平均每年全球发文量约100篇，，，，，，涉及机械人手艺各个领域的原创理论、算法、设计等，，，，，，代表了机械人领域最先进的重大希望。。。。。。。

研究配景

链式模？？？？？？榛灾毓够等四芄黄局で樾魏褪姑诓畋鸬墓剐椭渥，，，，，，好比蛇形，，，，，，四足等构型。。。。。。。本事情专注于上述自重构历程中两个构型之间的毗连妄想问题。。。。。。。毗连妄想算法指定了自重构历程中每一步应该断开或新建的毗连，，，，，，然后才挪用运动妄想算法去执行这些办法。。。。。。。因此，，，，，，毗连妄想效果是最优照旧冗余决议了整个自重构历程的速率。。。。。。。可是，，，，，，以往的研究已经证实最优毗连妄想问题的 NP 完全性，，，，，，这意味着不太可能保存能在多项式时间内盘算最优解的算法。。。。。。。因此，，，，，，目今研究的两个主要偏向是盘算近优解的多项式时间算法和盘算最优解的指数时间算法。。。。。。。本事情基于多入度单出度模？？？？？？榛等，，，，，，使用毗连点的可交流性减小了多项式时间算法输出的重构步数；；；；；；并提出了一种新的指数时间内的最优求解器，，，，，，以多项式时间算法的解的价钱为上界，，，，，，通过阶段本钱的累加和定界剪枝操作逐渐靠近全局最优解。。。。。。。

研究内容

本事情首先将 SnailBot、FreeBOT、Ant3DBot 等硬件模？？？？？？榱澄嗳攵鹊コ龆龋∕ultiply In-degree Single Out-degree，，，，，，MISO）模？？？？？？，，，，，，如图1所示。。。。。。。以 SnailBot 为例，，，，，，SnailBot 由一个粗糙的金属球壳和一个带有永磁体的底盘组成。。。。。。。球壳和底盘划分被笼统为多个可交流的被动毗连点和单个自动毗连点。。。。。。。模？？？？？？榈谋欢连点总数和自动毗连点总数可以划分被转化为图论中节点的入度和出度。。。。。。。构型的毗连关系可以表达为毗邻矩阵，，，，，，进而绘制为简朴有向图，，，，，，如图2所示。。。。。。。

图1. MISO模？？？？？？榈募囊。。。。。。。（a）（b）MISO模？？？？？？榈牧礁鲇布实现，，，，，，SnailBot和FreeBOT；；；；；；（c）MISO模？？？？？？榈3D仿真模子；；；；；；（d）MISO模？？？？？？榈亩维示意图

图2. 构型的毗连关系示意图。。。。。。。（a）有一个根节点的连通图；；；；；；（b）有一条回路的连通图。。。。。。。

本事情从理论上证实晰由单出度节点组成的连通图要么只有一个根节点要么只有一条回路，，，，，，从而提出了多项式时间算法，，，，，，入度匹配（In-degree Matching，，，，，，IM）算法，，，，，，如图3所示。。。。。。。IM 算法提出了子树相异度的看法，，，，，，并以此为权重在每一次模？？？？？？楹涂瘴恢涞钠ヅ渲信灿萌分匹配算法，，，，，，从而使用毗连点的可交流性镌汰冗余办法，，，，，，最终获得一个初始构型和最终构型的公共子图。。。。。。。公共子图随后被虚拟化为根节点，，，，，，并重复匹配直至竣事。。。。。。。

图3. IM 算法。。。。。。。（a）子树相异度的盘算；；；；；；（b）公共子图举例

本事情进一步先容了一个树型分支与定界（Tree-based Branch and Bound，，，，，，TBB）算法，，，，，，如图4所示。。。。。。。TBB 算法提出了新的分支战略和阶段本钱，，，，，，并从理论上证实晰 TBB 在指数时间内包管抵达全局最优解的盘算重漂后。。。。。。。TBB 算法的分支战略界说了三种新的盘算操作以包管天生所有可能的子匹配节点，，，，，，好比图4（a）中的排列操作和乘法操作。。。。。。。若某个子匹配节点的累加阶段本钱高于上界，，，，，，则剪掉此节点及其子女节点，，，，，，从而减小搜索空间。。。。。。。TBB算法的上界由多项式时间算法的解的价钱初始化，，，，，，在每次获得一个近优解时逐步下调，，，，，，最终迫近全局最优解，，，，，，如图4（b）所示。。。。。。。

图4. TBB 算法。。。。。。。（a）TBB 算法的分支函数；；；；；；（b）TBB 算法迫近全局最优解的盘算实例。。。。。。。

基于上述算法，，，，，，本事情首先设计了多种类型毗邻矩阵的盘算实验，，，，，，验证了 IM 算法和 TBB 算法的优越性及其团结效果。。。。。。。实验效果批注，，，，，，IM 算法的近优解距离 TBB 算法的最优解有4%-9%的裕度。。。。。。。然后将该毗连妄想要领应用于 MISO 模？？？？？？榈 3D 无重力仿真以及大规模自重构的盘算。。。。。。。如图5所示，，，，，，毗连妄想要领可以指定由蛇形构型转变为三足构型只需要一次疏散和毗连的行动，，，，，，并给出了行动爆发的模？？？？？？ ID。。。。。。。图5（b）（c）则展示了 IM 算法中使用毗连点的可交流性可以镌汰的冗余办法。。。。。。。图6展示了从立方体构型转变为人形构型所需要的断开和毗连的位置。。。。。。。

图5. 毗连妄想算法的应用实例。。。。。。。（a）蛇形构型转换为三足构型；；；；；；（b）四足构型的转换举例

图6. 人形构型的大规模自重构实例

研究结论

该事情先容了一种基于多入度单出度模？？？？？？榛等说淖钣排连妄想要领，，，，，，能够在多项式时间内盘算近优解、指数时间内盘算全局最优解，，，，，，提出了交流毗连点的匹配指标和新的分支阶段本钱，，，，，，并证实晰连通图的根节点唯一性、构型指针的同构稳固性、算法的盘算重漂后等主要理论。。。。。。。该事情的毗连妄想要领指定构型中应该断开或新建的最少毗连，，，，，，团结课题组之条件出的运动妄想要领，，，，，，可以实现自由而快速的自重构。。。。。。。

作者简介

本文通讯作者林天麟是香港中文大学（深圳）助理教授，，，，，，博士生导师，，，，，，IEEE高级会员，，，，，，广东省优异青年基金获得者，，，，，，深圳市外洋高条理人才B类，，，，，，现担当机械人与智能制造国家地方团结工程实验室执行副主任，，，，，，及优德官网（优德官网）智能机械人中心主任。。。。。。。师从徐扬生院士，，，，，，划分于2006年和2010年在香港中文大学获得一等声誉学士学位和博士学位。。。。。。。研究偏向包括新型移念头械人，，，，，，模？？？？？？榛灾毓够等，，，，，，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 等顶级聚会上揭晓论文45篇，，，，，，授权美国专利3项及国家发明专利42项，，，，，，出书英文专著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 机械人机构设计最佳论文奖。。。。。。。相关研究效果被路透社、探索频道、日本放送协会 NHK、IEEE Spectrum、Wired 等众多国际着名媒体普遍报导。。。。。。。作为项目认真人，，，，，，主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发妄想“智能机械人”重点专项课题、广东省优异青年基金等多个项目。。。。。。。担当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械人标准化事情组特邀委员、多个国际期刊及聚会的编委。。。。。。。

本文第一作者罗浩波是香港中文大学（深圳）在读博士生，，，，，，研究偏向为模？？？？？？榛灾毓够等恕⒙肪锻牒颓炕。。。。。。。现在以第一作者在 IEEE Transaction on Robotics、IEEE Robotics and Automation Letters、IROS 等顶级期刊聚会上揭晓论文数篇。。。。。。。

团队先容

优德官网 智能机械人中心由林天麟教授向导，，，，，，旨在研究多机械人系统自由组成种种形态以解决不可预知问题的要害手艺，，，，，，通过简朴智能体的集群实现重大的智能群体行为，，，，，，让机械人系统拥有可复用、自由构型、可拓展、故障自修复等通用特征，，，，，，为机械人设计领域创立出一种全新切实可行的实现形态。。。。。。。

团队恒久从事机械人和人工智能研究，，，，，，开发了十余种机械人和智能系统。。。。。。。在肩负国家科研项目方面履历富厚，，，，，，获得了国家自然科学基金面上项目、国家科技部 “智能机械人”重点研发妄想项目等多项纵向项目资助。。。。。。。？？？？？？蒲行Ч蚁于 T-RO、T-IP、T-MECH、JFR、ICRA、IROS 等机械人与自动化领域的国际顶级期刊和聚会上。。。。。。。关于 FreeBOT 的研究效果获2020年 IROS 机械人机构与设计最佳论文奖，，，，，，IEEE Spectrum、日本放送协会 NHK 和Engadget 等多家国际着名媒体对其举行了普遍报道。。。。。。。

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