一種適配多模態(tài)的探測機器人機構(gòu)設(shè)計

李勐　劉弋鋒　湛月　袁柳

摘要：提出一種能夠適配多種機動和感知模塊的多模態(tài)探測機器人機構(gòu)，通過適用性強的快速機械和電氣接口，使機器人能夠在陸地、涉水等模態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換，并可以不斷開發(fā)新型模塊，滿足不同場景的任務(wù)需要。機器人實物實驗證實了所提出方法的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：機器人;多模態(tài);機構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0169-02

探測機器人是于公共安全、防災(zāi)救災(zāi)、科學(xué)考察、環(huán)保監(jiān)察等領(lǐng)域的自動化的機電設(shè)備，能夠人力完成遠程的監(jiān)測探查、信息獲取任務(wù)。然而傳統(tǒng)的探測機器人體積較大、功能單一、可擴展性差，無法應(yīng)對多變的環(huán)境場景[1-3]。針對這一問題，本文提出一種能夠適用于陸地、涉水等多種情形的探測機器人機構(gòu)設(shè)計，由中央模塊、機動模塊和傳感器模塊構(gòu)成，通過磁力快速機械和電氣接口進行組合，具備穩(wěn)定、靈活、高效、可擴展性強的特點，能夠通過開發(fā)新型的機動模塊和傳感器模塊，實現(xiàn)不斷適應(yīng)各類任務(wù)環(huán)境的目標。

1 模塊化的機器人整體結(jié)構(gòu)和接口

探測機器人在陸地模態(tài)下的典型整體外觀近乎球形，如圖1所示。球形有助于通過拋投等方式對機器人位置進行部署，在本樣機中球體直徑為140mm。機器人主體由1個中央模塊、2個鏡面對稱的機動模塊、1個傳感器模塊組成。中央模塊為圓柱體，機動模塊為半球體。

中央模塊頂部為傳感器模塊接口，為盡可能多地適配傳感器，接口采用USB形式。中央模塊的兩個側(cè)面為機動模塊接口，包含機械連接和電氣連接兩部分。機械連接部分（單側(cè)）使用4只高強度釹鐵硼磁鐵提供吸力，并通過定位銷確保相對位置準確性，電氣連接部分采用7位金屬觸點陣列，實現(xiàn)邏輯供電、動力供電以及信號傳輸。無連接線的接口設(shè)計非常便于模塊的快速更換，可實現(xiàn)帶電熱插拔。機動模塊接口的詳細設(shè)計如圖1所示。

2 中央模塊和傳感器模塊

如圖2所示，中央模塊中包含機器人的內(nèi)置電池電源、處理電路、電源轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊和固定于機身正前方的高清攝像頭，其主要功能是為機器人供電和提供計算能力。

中央模塊內(nèi)的嵌入式計算采用ARM系統(tǒng)，選用體積小、性能強的樹莓派BCM-2837板卡，運行Ubuntu操作系統(tǒng)。為使機器人具備實時圖像處理能力，使用英特爾Movidius神經(jīng)計算棒提供0.1 TFLOPS的計算性能。機器人正前方的高清攝像頭分辨率為2592×1944。傳感器接口可以連接全景鏡頭、紅外傳感器、麥克風、溫濕度傳感器等，在本樣機中，使用分辨率為2592×1944、水平視場角為185°的全景鏡頭，使機器人的視野不局限于正前方。

3 適配多模態(tài)的機動模塊

左右機動模塊采用對稱設(shè)計，能夠任意互換。模塊內(nèi)包含了電機、碼盤等元件。為增加機動模塊內(nèi)部空間，陸地運動模塊和涉水運動模塊均采用薄殼輪式結(jié)構(gòu)，薄殼與半球體通過電機軸連接，利用雙輪差動運動實現(xiàn)機器人的前進、轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)。薄殼結(jié)構(gòu)容易發(fā)生形變，因此在薄殼內(nèi)部設(shè)計了加強筋，底部設(shè)計了支撐軸承。未來，還可設(shè)計采用同樣快速接口的飛行模塊，擴展機器人模態(tài)，如圖3所示。

4 實驗和結(jié)論

設(shè)計完成后，使用高精度3D打印方式制作探測機器人的原理樣機外殼、使用加工中心完成配重塊等結(jié)構(gòu)件加工，并在粗糙地面上進行運動性能測試。原理樣機總質(zhì)量小于1kg，直線運動最大速度為0.3m/s。能夠?qū)崿F(xiàn)平面運動、圖像無線傳輸、等功能，滿足樣機設(shè)計要求，樣機實物如圖4所示。

下一步，將在樣機上進行基于全景相機的實時多目標檢測，并進一步優(yōu)化機器人機構(gòu)設(shè)計，考慮機體密封性并進行涉水運動實驗。

綜上所述，本文提出一種能夠適配多種機動和感知模塊的多模態(tài)球形探測機器人機構(gòu)，由中央模塊、機動模塊和傳感器模塊組成，通過特殊設(shè)計的基于磁力連接固定的機械和電氣接口實現(xiàn)機動模塊的快速無線連接。原理樣機的運動實驗驗證了所提出機構(gòu)的可行性和有效性，該機構(gòu)為小型化、模塊化的探測機器人設(shè)計提供了新的思路和方法。

參考文獻

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[3] 楊維，殷希梅，張運兵，等.一種微小型單兵偵察球系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2013（19）：86-89.