一種模塊化自重構(gòu)變胞機(jī)器人

王鑫 李繼康 雷磊 王傲杰

摘 要：變胞機(jī)器人是一種新型機(jī)器人，由多自由度的關(guān)節(jié)構(gòu)成。其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠根據(jù)周圍環(huán)境情況，在大范圍內(nèi)對(duì)自身的形狀做出改變，因此變胞機(jī)器人在軍事偵查、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。綜述軟體機(jī)器人的方案分析、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用領(lǐng)域等問題。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；變胞結(jié)構(gòu)

0引言

機(jī)構(gòu)是機(jī)器和機(jī)器人的基本組成。機(jī)構(gòu)學(xué)奠定了機(jī)械工程、儀器工程和控制工程等多種學(xué)科的理論基礎(chǔ)， 機(jī)構(gòu)的發(fā)掘和機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展沒有停止。尤其在20世紀(jì)90年代至今， 一些老機(jī)構(gòu)的新含義被開掘， 一些新型機(jī)構(gòu)出現(xiàn)。其中具有代表性的是基于機(jī)構(gòu)的自我組合和自我重構(gòu)而出現(xiàn)的新機(jī)構(gòu)，即變胞機(jī)構(gòu)。其是源于人類開發(fā)大自然和開拓外空間的實(shí)際需求，是對(duì)傳統(tǒng)的定自由度和定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的一個(gè)新的突破和拓寬。

變胞機(jī)構(gòu)于1988 年首次提出，這一新類型機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)環(huán)境和工況的變化和任務(wù)需求進(jìn)行自我重組和重構(gòu)，自提出以來廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)和機(jī)器人。特別是在航空航天，探索機(jī)器人等領(lǐng)域，變胞機(jī)構(gòu)有著極為重要的應(yīng)用。

1方案分析

模塊化自重構(gòu)變胞機(jī)器人，該機(jī)器人能夠面對(duì)不同的環(huán)境，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，即變胞，從而最大程度上適應(yīng)各種不同的地形。同時(shí)此機(jī)器人采取模塊化設(shè)計(jì)，易于拆卸和組裝，同時(shí)可以實(shí)時(shí)傳回采集到的圖像和數(shù)據(jù)，完成偵查和探測(cè)等工作。關(guān)鍵如下幾點(diǎn)：

（1）創(chuàng)新點(diǎn)：

a） 采用模塊化設(shè)計(jì)。此機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，機(jī)械部分分為機(jī)器人主體、連桿、履帶輪三個(gè)部分；電子部分分為核心控制模塊、傳感器模塊、無線圖傳模塊、無線數(shù)傳模塊、以及動(dòng)力模塊；軟件部分分為攝像頭圖像采集模塊、以及上位機(jī)部分等，各個(gè)模塊之間協(xié)同工作，便于拆裝，對(duì)于新的應(yīng)用場景，可以添加新的模塊，進(jìn)行二次開發(fā)，具有一定的柔性；

b） 三種構(gòu)態(tài)自動(dòng)切換，以應(yīng)對(duì)不同的地面環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地形最大程度的適應(yīng)，并實(shí)時(shí)傳回現(xiàn)場情況。

（2）關(guān)鍵技術(shù)：

a） 機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析以及步態(tài)規(guī)劃，目前此方面實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有數(shù)年的經(jīng)驗(yàn)積累；

b） 對(duì)不同地形的識(shí)別與判斷，這是軟件部分最為核心的部分。初步選擇采用OPENCV進(jìn)行環(huán)境識(shí)別，項(xiàng)目組有豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目組曾做過利用OPENCV識(shí)別某一非特定的色塊，并控制小車跟隨移動(dòng)，取得了較好的效果；

c） 機(jī)器人系統(tǒng)的集成控制，為了更好地適應(yīng)不同的地形，機(jī)器人的體積不能過大，這就要求控制系統(tǒng)必須高度集成，同時(shí)也要滿足功能的要求。

（3）科學(xué)性：

a）采用OPENCV進(jìn)行環(huán)境識(shí)別，有很多成熟的開發(fā)實(shí)例可供參考，雖有一定難度，但是可以實(shí)現(xiàn)；

b）控制系統(tǒng)采用PCB板，穩(wěn)定性強(qiáng)，集成度高，能在一定程度上縮小機(jī)器人的體積；

c）設(shè)置有故障應(yīng)急系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到電壓電量過低自動(dòng)報(bào)警，并發(fā)出光閃信號(hào)，便于及時(shí)更換電池和回收。

2方案設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

變胞機(jī)器人由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)又分為機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電子硬件的搭建，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自重構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。上位機(jī)則是通過圖像的采集后，對(duì)采集后的圖像用進(jìn)行識(shí)別和處理，再向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)某些特定的功能。上位機(jī)和下位機(jī)通過機(jī)器內(nèi)部裝設(shè)的串口進(jìn)行通信從而實(shí)現(xiàn)上下機(jī)的同步。通過圖像的識(shí)別，辨別所處的環(huán)境，進(jìn)行構(gòu)態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而適應(yīng)不同環(huán)境。

（2）變胞機(jī)器人的原理分析與設(shè)計(jì)

變胞機(jī)構(gòu)是具有變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)，變胞機(jī)構(gòu)的描述方法需要符合自身的特點(diǎn)，每一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可采用鄰接矩陣表示，并可進(jìn)行矩陣運(yùn)算，僅根據(jù)拓?fù)鋱D的變換來進(jìn)行變胞機(jī)器人的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的變胞機(jī)器人具有半臥式、臥式構(gòu)態(tài)，具體展示如下：

根據(jù)圖1 可以構(gòu)造出如下方案：其中1 為機(jī)器人主體，2、4、6、8 為連桿，3、5、7、9 為由輪子、履帶和加長臂構(gòu)成的履帶輪，10 為地面。每一條履帶都通過一個(gè)加長臂和兩個(gè)關(guān)節(jié)（由機(jī)器人舵機(jī)實(shí)現(xiàn)）及連桿和機(jī)器人主體相聯(lián)。通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，每一條履帶都可以實(shí)現(xiàn)任意角度或方向的伸展、折疊或旋轉(zhuǎn)。通過這些履帶、關(guān)節(jié)和加長臂的不同的組合方式，我們就可以獲得機(jī)器人不同的構(gòu)態(tài)，不同構(gòu)態(tài)可以適應(yīng)不同環(huán)境的需要。

3結(jié)束語

本文提出了一種變胞機(jī)器人，并對(duì)其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了較為詳盡的闡述。整體構(gòu)造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。

變胞機(jī)器人是一項(xiàng)技術(shù)密集性高、系統(tǒng)工程強(qiáng)的智能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、未知地形探索等領(lǐng)域，用途十分廣泛，具有非常重要的民用和軍事應(yīng)用價(jià)值。

（1）航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

變胞機(jī)構(gòu)的發(fā)展，源于人類開發(fā)大自然和開拓外空間的實(shí)際需求，是對(duì)傳統(tǒng)的定自由度和定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的一個(gè)新的突破和拓寬。因此，在航空航天領(lǐng)域變胞機(jī)構(gòu)有著極為重要的應(yīng)用。在星球探索機(jī)器人、航天器太陽能板展閉機(jī)構(gòu)等，都有著極為重要的作用。

（2）未來軍事化戰(zhàn)爭和防御重要作用

由于變胞機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的高度自適應(yīng)能力，其可以廣泛應(yīng)用于軍事偵查、突襲等領(lǐng)域，最大程度上減少人員損失，取得新時(shí)代下信息化戰(zhàn)爭的勝利。

（3）災(zāi)害搜救、泄露現(xiàn)場探測(cè)等工作

此種變胞機(jī)器人可以輕松的穿過洞口等狹小環(huán)境，并將現(xiàn)場的環(huán)境實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)回傳，因此可在災(zāi)害救援等領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。同時(shí)，針對(duì)化工泄露等特殊情況，還可搭載專業(yè)的傳感器進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行勘測(cè)。

通過閱讀本文，不僅能滿足變胞機(jī)器人研究人員對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考需求，也能加強(qiáng)一般讀者對(duì)機(jī)械知識(shí)的了解。同時(shí)變胞機(jī)器人易于實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化、商品化，激發(fā)青少年對(duì)機(jī)械構(gòu)造的熱情，可放于科技館讓大眾了解機(jī)械構(gòu)造的精妙與淵博，具有廣闊的推廣前景。

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