李勐　劉弋鋒　湛月　袁柳

摘要：提出一種能夠適配多種機(jī)動和感知模塊的多模態(tài)探測機(jī)器人機(jī)構(gòu)，通過適用性強(qiáng)的快速機(jī)械和電氣接口，使機(jī)器人能夠在陸地、涉水等模態(tài)之間進(jìn)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(jī)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(jī)器人;多模態(tài);機(jī)構(gòu)設(shè)計

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

探測機(jī)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(jī)電設(shè)備，能夠人力完成遠(yuǎn)程的監(jiān)測探查、信息獲取任務(wù)。然而傳統(tǒng)的探測機(jī)器人體積較大、功能單一、可擴(kuò)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(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計，由中央模塊、機(jī)動模塊和傳感器模塊構(gòu)成，通過磁力快速機(jī)械和電氣接口進(jìn)行組合，具備穩(wěn)定、靈活、高效、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠通過開發(fā)新型的機(jī)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(biāo)。

1 模塊化的機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和接口

探測機(jī)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(jī)器人位置進(jìn)行部署，在本樣機(jī)中球體直徑為140mm。機(jī)器人主體由1個中央模塊、2個鏡面對稱的機(jī)動模塊、1個傳感器模塊組成。中央模塊為圓柱體，機(jī)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(jī)動模塊接口，包含機(jī)械連接和電氣連接兩部分。機(jī)械連接部分（單側(cè)）使用4只高強(qiáng)度釹鐵硼磁鐵提供吸力，并通過定位銷確保相對位置準(zhǔn)確性，電氣連接部分采用7位金屬觸點(diǎn)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(jī)動模塊接口的詳細(xì)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(jī)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(jī)身正前方的高清攝像頭，其主要功能是為機(jī)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(qiáng)的樹莓派BCM-2837板卡，運(yùn)行Ubuntu操作系統(tǒng)。為使機(jī)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(jī)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(fēng)、溫濕度傳感器等，在本樣機(jī)中，使用分辨率為2592×1944、水平視場角為185°的全景鏡頭，使機(jī)器人的視野不局限于正前方。

3 適配多模態(tài)的機(jī)動模塊

左右機(jī)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(jī)、碼盤等元件。為增加機(jī)動模塊內(nèi)部空間，陸地運(yùn)動模塊和涉水運(yùn)動模塊均采用薄殼輪式結(jié)構(gòu)，薄殼與半球體通過電機(jī)軸連接，利用雙輪差動運(yùn)動實現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、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(qiáng)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(kuò)展機(jī)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(jī)器人的原理樣機(jī)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(jìn)行運(yùn)動性能測試。原理樣機(jī)總質(zhì)量小于1kg，直線運(yùn)動最大速度為0.3m/s。能夠?qū)崿F(xiàn)平面運(yùn)動、圖像無線傳輸、等功能，滿足樣機(jī)設(shè)計要求，樣機(jī)實物如圖4所示。

下一步，將在樣機(jī)上進(jìn)行基于全景相機(jī)的實時多目標(biāo)檢測，并進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計，考慮機(jī)體密封性并進(jìn)行涉水運(yùn)動實驗。

綜上所述，本文提出一種能夠適配多種機(jī)動和感知模塊的多模態(tài)球形探測機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由中央模塊、機(jī)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(jī)械和電氣接口實現(xiàn)機(jī)動模塊的快速無線連接。原理樣機(jī)的運(yùn)動實驗驗證了所提出機(jī)構(gòu)的可行性和有效性，該機(jī)構(gòu)為小型化、模塊化的探測機(jī)器人設(shè)計提供了新的思路和方法。

參考文獻(xiàn)

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