天津大学：弥补灵活机器人与高效机器之间的鸿沟 “变胞”理论开启机器人发展新领域

　　这个理论曾在美国机械工程师学会“ASME机械设计终身成就奖”颁奖时被高度评价为“弥合了高度灵活但昂贵的机器人与高效但不灵活的机器之间的鸿沟”；该理论还被学界誉为“是当前重点研究领域”和“当前和未来机械机构科学领域的主流趋势”。这便是由戴建生院士领衔，天津大学为第一完成单位，中科院沈阳自动化研究所和东北大学为合作单位完成的“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”。在今年3月刚刚评选出来的天津市科学技术奖中，该项目获得天津市自然科学一等奖。

　　多构型多变构Bennett-衍生变胞机构构型简表

　　摘自：戴建生,康熙,宋亚庆,魏俊,2021《可重构机构与可重构机器人》

　　就像人们要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，一面对复杂甚至需要改变自己的结构形态才能完成其它工作时就无能为力了。戴建生院士的这项理论，灵感起源于人类的进化和细胞的分裂重组，就是让机器可根据实际需求“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。

　　据悉，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，项目团队在戴建生院士率领下，经过20年深耕，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。这些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；创立了基于旋量理论、李理论、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；构建了一套起源本质、融汇贯通的变胞机构/可重构机构创新与综合设计体系；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。

　　变胞足式机器人

　　摘自：Zhang, C., Zhang, C., Dai, J.S. and Qi, P., 2019. Stability Margin of a Metamorphic Quadruped Robot With a Twisting Trunk. Journal of Mechanisms and Robotics, Trans. ASME, 11(6): 064501.

　　该理论的典型成果体现于团队开发的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，与可变各种形态各种爬行姿势的变胞足式机器人。其利用变胞机构“一机多能、一机多用”的特点，提升了“输—变—配”电力设备的精益化管理，也提升了各种越野能力与各种环境的适应能力。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。研发的变胞灵巧手与变胞足式机器人孵化出天津大然机器人和深圳大寰机器人两个高科技创业公司。同时，该理论引领并指导了数个国家自然科学基金委项目与国家重点研发计划项目，服务于国家重大需求。

　　戴建生教授为英国皇家工程院院士，因“为建立可重构机构领域和变胞机构子领域做出了开拓性与奠基性贡献”，于2020年获得机械工程领域最负盛名的“ASME机械设计终身成就奖”，为62年来第58位获奖者，首位华人获奖者。而在这之前，戴建生院士还于2015年获得了机构学与机器人学顶级奖“DED机构学与机器人学终身成就奖”，为该奖设立41年来第27位获奖者。