董宏偉

（黑龍江工商學院，黑龍江哈爾濱，150025）

1 研究現(xiàn)狀

智能機器人是通過賦予傳統(tǒng)機器人人工智能而發(fā)展起來的，并具有環(huán)境感知、環(huán)境認知、自主操縱的能力。目前，國際上對負重機器人的研究可見成果的如：美國通用電氣為美國陸軍設計了一款四足步行負重機器人；波士頓公司開發(fā)的可以攀爬斜坡的四足軍用機器人；KAISER 等公司研究開發(fā)了履帶和輪結合的機器人等[1]。國內如清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、北京理工大學等單位開展了相關研究，開發(fā)了多種輪式、履帶式負重機器人。但這些機器人或無法滿足較高的承重要求，或無法適應較為險惡的路面環(huán)境。伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)以及神經網(wǎng)絡等學科領域的高速發(fā)展，機器人行業(yè)正成為未來五十年來最有前景的行業(yè)。而目前對能夠負重并自由行動的機器人的研究還是一個新興的方向。在單一環(huán)境下或平坦路面上行走工作的負重機器人已經有很多，但對于能夠適應在復雜多變環(huán)境下工作的負重機器人的研究還處、裝配于研究階段，還有很多問題需要解決。因此，本課題對能夠在復雜多變環(huán)境下進行物資和設備智能化運輸?shù)呢撝貦C器人進行研究。

2 智能負重機器人的結構組成

本處所提到的復雜多變環(huán)境可包括：山地、林地、沼澤、丘陵以及平坦道路等多種地勢環(huán)境。由于不同的地勢環(huán)境，對負重機器人的行走機構的要求各不相同，所以設計了三種機器人的行走機構，以適應不同的地勢環(huán)境下負重機器人的有效運行。同時配備對環(huán)境可以自動識別的視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同環(huán)境的感知識別。智能負重機器人組成結構如圖1所示。

圖1 智能負重機器人組成結構

2.1 負重箱

智能負重機器人要完成的首要任務是載物負重，因此主體部分采用了箱式的裝載機構，箱體應采用輕便高韌性材料制成，可以將需要運輸?shù)奈锲反娣旁谪撝叵渲?，箱體采用密碼開啟方式。

2.2 機械腿行走機構

機械腿行走機構主要適合山地和林地的復雜環(huán)境，由于山地和林地地面往往伴有雜草、樹枝以及石塊等障礙物，較為適合的機器人行走機構選用類似人腿的機械腿的方式行走運行，這種方式可以較好的克服輪足在林地的運行弊端，實現(xiàn)障礙的穿越。

2.3 履帶行走機構

履帶行走機構可以有效的實現(xiàn)在丘陵或是沼澤地形下的行進，對丘壑及泥濘道路具有很好的應對效果。履帶行走裝置對路面單位面積壓力小，附著性能好，因而具有良好的穩(wěn)定性能和通過性能。該中行走機構的設計思路來源于坦克，可以克服較復雜的道路情況，為負重運行提供了保障。

2.4 輪足行走機構

輪足行走機構是為了實現(xiàn)在平坦道路上的快速運行而設計的，輪足行走方式將輪行與步行方式方式相結合。在非復雜路況條件下，可以充當自動跟隨行李箱。具有運行速度快，行駛平穩(wěn)等特點。

2.5 機器人視覺系統(tǒng)

要想實現(xiàn)機器人三種運行機構之間的自動切換，首先要同過圖像采集系統(tǒng)，對周圍環(huán)境進行圖像信息采集，然后進行圖像分析與處理。并配以紅外和超聲傳感器加以輔助，將探測到的時時數(shù)據(jù)與圖像信息進行對比分析，從而判斷出當前環(huán)境分屬哪種地形，當確定環(huán)境類型后，機器人會根據(jù)具體環(huán)境選擇運行方式，機械腿行走適用于山地和林地，履帶適用于丘陵和沼澤，而輪足則適合于平坦路面的高速運行。從而實現(xiàn)對環(huán)境的自主識別。

3 技術路線

系統(tǒng)的整體設計方案主要可以分為流程六部分：核心控制器、紅外遙控器、機械腿行走機構、履帶行走機構、輪足行走機構以及自主識別系統(tǒng)。各部分的具體設計方案大致如下：

（1）核心控制器采用MR-C3024FX 控制主板，該主板為了日后的性能升級而配置了較高的可擴充性。最多可驅動24 個伺服電機，并可以安裝16 個單位模塊（回轉儀、陀螺儀、加速傳感器、藍牙裝置、紅外模塊、RC 操控器等）。RoboBasic 語言為編程語言，對系統(tǒng)進行編程[2]。它不但能夠體現(xiàn)高水平的機器人動作運行，而且還可以實現(xiàn)對機器人的精確控制。

（2）紅外遙控器是實現(xiàn)人工控制機器人的主要工具，采用MF-IR 紅外遙控器進行遙控控制設計。紅外線具有發(fā)射距離遠，控制精確等優(yōu)點。

（3）機械腿行走部分采用自主設計的機械結構，配以專用的舵機進行不同自由度的變化控制，得以實現(xiàn)腿部行走的的功能。機械腿采用專為機器人設計的MRS-D2009SP數(shù)字伺服電機，作為專用機身，不但組裝簡便，而且還裝有經久耐用的碳酸鹽巖齒輪[3]。為了布線和維護方面的簡便易行，在伺服電機上采用了連接器方式。因為采用了HMI（Hitec Multi-protocol Interface），通過簡單的程序設計就可以運用反饋技術，更好的實現(xiàn)對變化環(huán)境的時時判斷。腿部材料結合了Anodizing 鍍金技術并且優(yōu)化其設計，樹脂質地的軀體可以完美地保護機器人控制主板以及電池，伺服布線等，它可以有效地抵擋住來自外部的撞擊。

（4）履帶行走機構設計采用坦克式履帶的運行機理，加裝承重、減震系統(tǒng)。一方面可滿足機器人承載設備的功能要求，另一方面可使機器人在行進時能克服復雜多變地貌阻礙，穩(wěn)定順利的通過。通過PWM 控制，實現(xiàn)前后左右不同方向的行進。履帶整體骨架采用鋁合金材料，驅動裝置采用帶有霍爾傳感器的大功率電機，并可通過PWM 模塊對整個電機的運行、轉動以及速率進行控制。并將運行數(shù)據(jù)時時反饋給處理器，實現(xiàn)對環(huán)境的綜合判斷。

（5）輪足行走機構，采用UWB 定位技術進行自動跟隨，實現(xiàn)對使用者的自動跟隨。輪足具有控制結構簡單、行走平穩(wěn)、移動速度快，轉向性能好、行走效率高等特點。UWB 定位技術無論在室內還是空曠的室外都可以較好的定位到使用者的位置[4]，兩者進行一對一的匹配，實現(xiàn)負重機器人自動跟隨使用者的功能。

（6）采用基于雙目視覺系統(tǒng)的自主識別技術，對環(huán)境信息進行采集，并將采集的圖像與數(shù)據(jù)庫中圖像進行匹配。采集時應分別獲?。哼h景近景圖像、不同位置圖像和不同視角圖像。當三組圖像匹配結果一致時，方為識別成功。

4 自主識別技術

4.1 雙目視覺系統(tǒng)

機器人視覺相關信息的獲取需要視覺傳感系統(tǒng)來完成，該系統(tǒng)可以有效地提供大量環(huán)境信息，以適應環(huán)境動態(tài)變化。常使用由兩個攝像頭組成的雙目視覺系統(tǒng)，對環(huán)境中的角點進行提取和識別，然后采用三邊測量原理完成機器人的絕對定位，并實時修正慣性測量系統(tǒng)的定位結果。機器人的工作環(huán)境是一個復雜多變的動態(tài)環(huán)境，通過將慣性測量、雙目視覺與圖像匹配的有效結合，實現(xiàn)移動機器人在復雜環(huán)境下的環(huán)境感知和自主識別[5]。

但是無論在人工標定的環(huán)境下，還是自然環(huán)境下，雙目視覺系統(tǒng)對環(huán)境的識別，都需要首先通過采集環(huán)境信息，然后進行圖像匹配，以確定自己所在具體位置。在人工標定環(huán)境下，當環(huán)境中的某些因素發(fā)生變化時，如椅子的位置改變、墻角處擺設了一個新花瓶等。雙目視覺系統(tǒng)進行圖像匹配時的準確率會明顯降低，容易導致定位失敗或是路徑規(guī)劃混亂。自然環(huán)境下的定位和環(huán)境識別主要是通過左右目采集的圖像進行匹配，從數(shù)據(jù)庫中檢索類似或是相同的圖片信息，但由于采集的圖像與數(shù)據(jù)庫中的圖像會有視角、尺度以及偏轉等差別，因此，會大大降低匹配的成功率，最終導致環(huán)境識別以及定位的失敗。由于在不同環(huán)境下，采集到圖像可能存在遮擋、光強變化、尺度以及視角等諸多干擾因素，因此本設計選用了SIFT 算法進行圖像的檢索匹配，該算法可以有效的解決以上問題。

4.2 SIFT 算法匹配技術

圖2 SIFT 算法實現(xiàn)過程

SIFT 算法的關鍵技術之一是對圖像特征點的提取。其具體的實現(xiàn)過程大致如圖2 所示。將采集到的環(huán)境圖像上傳，此時被稱為待檢圖片。然后對待檢圖像進行特征點的提取。提取是建立檢測點，然后將特征參數(shù)組成一個特征點集。然后是特征對比匹配，這里的對比主要是通過計算兩個數(shù)據(jù)集合中相似點的距離來實現(xiàn)的，距離越小則越相似。當達到最優(yōu)匹配以后，需要輸出匹配成功信號，否則輸出失敗信號。此處，我們設定一個配準率的閾值，高于該閾值的配準率將被認為匹配成功，進行反饋輸出。若小于該閾值，則重新檢索匹配，直至匹配到符合該閾值的圖像出現(xiàn)[6]。最后有個特征點的矯正，是針對出錯時的數(shù)據(jù)匹配設計的，可以盡量減少錯誤匹配。

5 結論

本文提出了一種在復雜多變環(huán)境下可以自主運行的智能負重機器人，主要是針對山地、林地、丘陵以及沼澤等多變復雜的環(huán)境下，對物資和設備實現(xiàn)自動化、智能化運輸?shù)呢撝貦C器人設備的研究。負重的機器人會根據(jù)實際的環(huán)境情況進行判斷，選擇適合當前環(huán)境的行走運行方式，并具有自動和紅外遙控兩種控制功能。目前，該載重機器人三種運行和紅外遙控功能已基本實現(xiàn)，下面將主要對基于視覺的自主識別技術進行設計研究。其可以在登山旅游、探險、救援，甚至軍事領域等方面得到實際應用。