王鑫 李繼康 雷磊 王傲杰

摘 要：變胞機器人是一種新型機器人，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)對自身的形狀做出改變，因此變胞機器人在軍事偵查、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。綜述軟體機器人的方案分析、機構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用領(lǐng)域等問題。

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

0引言

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

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

1方案分析

模塊化自重構(gòu)變胞機器人，該機器人能夠面對不同的環(huán)境，自動實現(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。同時此機器人采取模塊化設(shè)計，易于拆卸和組裝，同時可以實時傳回采集到的圖像和數(shù)據(jù)，完成偵查和探測等工作。關(guān)鍵如下幾點：

（1）創(chuàng)新點：

a） 采用模塊化設(shè)計。此機器人采用模塊化設(shè)計的方法，機械部分分為機器人主體、連桿、履帶輪三個部分；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、以及動力模塊；軟件部分分為攝像頭圖像采集模塊、以及上位機部分等，各個模塊之間協(xié)同工作，便于拆裝，對于新的應(yīng)用場景，可以添加新的模塊，進行二次開發(fā)，具有一定的柔性；

b） 三種構(gòu)態(tài)自動切換，以應(yīng)對不同的地面環(huán)境，從而實現(xiàn)對地形最大程度的適應(yīng)，并實時傳回現(xiàn)場情況。

（2）關(guān)鍵技術(shù)：

a） 機器人的動力學(xué)分析以及步態(tài)規(guī)劃，目前此方面實驗室已經(jīng)有數(shù)年的經(jīng)驗積累；

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

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

（3）科學(xué)性：

a）采用OPENCV進行環(huán)境識別，有很多成熟的開發(fā)實例可供參考，雖有一定難度，但是可以實現(xiàn)；

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

c）設(shè)置有故障應(yīng)急系統(tǒng)，當(dāng)檢測到電壓電量過低自動報警，并發(fā)出光閃信號，便于及時更換電池和回收。

2方案設(shè)計

（1）系統(tǒng)設(shè)計原理

變胞機器人由上位機和下位機兩部分組成。下位機又分為機器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子硬件的搭建，實現(xiàn)機器人的自重構(gòu)和運動。上位機則是通過圖像的采集后，對采集后的圖像用進行識別和處理，再向下位機發(fā)送相應(yīng)的指令，實現(xiàn)某些特定的功能。上位機和下位機通過機器內(nèi)部裝設(shè)的串口進行通信從而實現(xiàn)上下機的同步。通過圖像的識別，辨別所處的環(huán)境，進行構(gòu)態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而適應(yīng)不同環(huán)境。

（2）變胞機器人的原理分析與設(shè)計

變胞機構(gòu)是具有變拓撲結(jié)構(gòu)的機構(gòu)，變胞機構(gòu)的描述方法需要符合自身的特點，每一拓撲結(jié)構(gòu)圖可采用鄰接矩陣表示，并可進行矩陣運算，僅根據(jù)拓撲圖的變換來進行變胞機器人的設(shè)計。所設(shè)計的變胞機器人具有半臥式、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加長臂和兩個關(guān)節(jié)（由機器人舵機實現(xiàn)）及連桿和機器人主體相聯(lián)。通過電機的驅(qū)動，每一條履帶都可以實現(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器人，并對其調(diào)節(jié)機構(gòu)進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。

變胞機器人是一項技術(shù)密集性高、系統(tǒng)工程強的智能技術(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)用價值。

（1）航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

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

由于變胞機器人對未知環(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，取得新時代下信息化戰(zhàn)爭的勝利。

（3）災(zāi)害搜救、泄露現(xiàn)場探測等工作

此種變胞機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)境實現(xiàn)實時回傳，因此可在災(zāi)害救援等領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。同時，針對化工泄露等特殊情況，還可搭載專業(yè)的傳感器進入現(xiàn)場進行勘測。

通過閱讀本文，不僅能滿足變胞機器人研究人員對結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考需求，也能加強一般讀者對機械知識的了解。同時變胞機器人易于實現(xiàn)量產(chǎn)化、商品化，激發(fā)青少年對機械構(gòu)造的熱情，可放于科技館讓大眾了解機械構(gòu)造的精妙與淵博，具有廣闊的推廣前景。

參考文獻：

[1]張春松， 唐昭. 變胞機器人[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2017， 7（8）：6-9.

[2]李東福， 李強， 劉新芹，等. 基于ADAMS變胞機器人構(gòu)態(tài)變換研究[J]. 機械， 2012， 39（12）：24-27.

[3]姜善濤， 李東福， 李強，等. 基于變胞原理的機器人的設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造， 2012（6）：189-191.