空間探測自組裝群體模塊化機器人

魏洪興 李海源

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

1 引言

空間探測已成為航天領域未來發展的一個重點。由于探測地點并不局限于探測器的著陸點，因此需要建造能夠到達相應目的地的移動探測機器人。星球表面地形復雜，氣候條件惡劣，非結構化等不確定因素多，要求探測機器人具有良好的運動性能和環境自適應能力。同時，空間探測是一種風險性極強、可靠性要求極高的科研活動，而單個探測車作業系統在探測中存在極大風險，因此，汲取自重構機器人和群體機器人技術，將其應用到空間探測機器人上，變革探測機器人的機構設計、運動和控制方式，提升作業能力，使其適應復雜的工作環境，是當前空間探測機器人研究的一個重要方向。

根據探測機器人移動機構的特點劃分，空間探測機器人主要包括輪式、多足、混合式和其他形式幾種類型。在目前的空間探測中，大部分移動機器人采用輪式移動機構，如Gyrover[1]、RATLER[2]和Nomad[3]。中國在2000年漢諾威博覽會上也曾展示了航天員與輪式探測車在月球表面的場景[4]。多足步行探測機器人具有很強的地貌適應性，非常適合在凸凹交錯的巖石或土質松軟的表面運動，機動性較好。另外，也有將輪式結構引入到多足，形成混合式探測機器人。這種探測機器人具備一定的越障、避障能力，如Go-For[5]和Chariot-2[6]。其他形式的移動機構還包括：履帶式，如俄羅斯的Track 行星漫游者；跳躍式，如Hopper機器人[7]。以上這些機器人多是通過提高機器人本身的可靠性、魯棒性等性能來增強其適應能力和執行能力。但由于探測過程的復雜性，可能需要多點同時進行探測，以提高效率，因此，多機器人探測成為空間探測的發展方向之一。同時，可引進群體機器人和自重構等方法來提高系統的魯棒性，降低空間探測的風險。群體機器人系統通過協調、合作，可以完成單個機器人難以完成的工作。在沒有人參與的情況下，它們自動組合成一種新的形態或結構，具有輪式或多足等結構的特點，其環境適應能力更強。典 型 的 群 體 機 器 人，如Alice[8]、e-Puck[9]、Jasmine[10]、Kobot[11]和Swarm-bot[12]，都具有移動能力和一定的外界感知能力。對于自重構機器人，如PolyBot[13]，CONRO[14]，CKbot[15]，ATRON[16]和M-TRAN[17]，多不具有移動能力，而是依靠模塊間的相互運動來實現重構和組裝。Millibot[18]是兼具有群體機器人和自重構機器人特點的典型機器人，其每個模塊具有移動能力，同時又能與其他機器人實現對接，但由于結構上的限制，對接后的整體運動能力受到一定的約束。

2 Sambot總體方案

2.1 總體介紹

Sambot機器人模塊是一個完全自主的移動機器人，同時它還可以與其他Sambot互相連接，成為線性自重構機器人，并通過Sambot提供的運動自主度實現自重構機器人的整體運動。

2.1.1 結構

Sambot的設計采用了嵌入式機電集成設計方法，在機器人內部集成了全部的驅動、控制、感知、通信和電源單元，其設計參數和性能如表1所示。

表1 Sambot模塊參數Table1 Parameters of Sambot module

如圖1所示，Sambot結構分為兩部分：上面的主動對接面板與下面的自主移動本體。主動對接面板上有1 對主動對接卡扣，能夠與其他Sambot本體上的前、后、左、右共4個被動對接面上的對接卡槽進行對接，主動對接卡扣與對接卡槽允許2個Sambot機器人在一定偏差范圍內實現自主對接及鎖緊。同時，主動對接面板還可以圍繞本體的中心軸實現±150°范圍的轉動；當對接時，主動對接面板向前（或向后）旋轉90°，使主動對接面板與其他Sambot的被動對接面進行對接；對接完成后，該旋轉關節可以繞中心軸轉動，用于實現多個Sambot對接后的整體運動。自主移動本體的底部有兩個對稱的驅動輪（圖1中未示出），通過差分驅動Sambot來實現自主移動。Sambot安裝了多個紅外傳感器，用于探測障礙物及實現對接導引。

圖1 Sambot機器人Fig.1 Sambot robot

2.1.2 控制系統

Sambot的控制系統（見圖2），由1個32 位的ARM 處理器STM32F103CB和4個8位的單片機ATMega8組成，ARM 與單片機之間采用I2C 總線通信。其中：ARM 處理器主要完成機器人的控制、導航定位及規劃決策任務；4個單片機ATMega8主要完成電機驅動、編碼器與紅外傳感器信息采集任務。除紅外傳感器外，Sambot還安裝了陀螺儀和加速度計，用于給出機器人的姿態和速度信息。

Sambot采用了兩種通信方式：ZigBee全局無線通信與CAN 總線通信。其中：ZigBee采用TI公司的CC2430芯片，用于實現多個Sambot之間的全局無線通信。當多個Sambot通過自組裝構成新的集合體機器人后，通過主動對接面板與被動對接面上的電氣觸點連接，實現多個Sambot之間的分布式CAN總線通信。連接在一起的機器人，可以通過CAN 總線獲取控制信息或者其他機器人的狀態信息，做出相應的動作，如控制集合體機器人的整體運動與重構。

圖2 Sambot機器人的控制系統結構圖Fig.2 Control system of Sambot module

2.1.3 工作方式

在空間探測過程中，群體機器人面臨的任務有：環境探測、地圖構建、地表清障和協作搬運等。本文提出的具有自組裝功能的群體機器人，兼具了自組裝和自重構的特點。每個Sambot模塊都是一個完全自主的移動機器人，同時它還可以與其他Sambot互相連接，成為線性自重構機器人，并通過Sambot提供的運動自主度，實現線性自重構機器人的整體運動。當由Sambot組成的機器人平臺被運送到星球上之后，平臺（如圖3（a）所示）行走至探測點，將基站放下，然后各個機器人分散開來到達各個探測點，并行執行探測任務，比如繪制地形圖或溫度、濕度線等。當其電量消耗較多時，可返回基站充足電量。同時，基站可以匯總各個機器人采集的數據，統一處理。在探測過程中，遇到單個機器人難以逾越的溝壑或障礙物時，通過協作和自組裝指令，按照任務規劃，附近的一群單個機器人組裝在一起，形成具有越障或行走能力較強的構型（如蛇形或者多足結構）繼續前行。到達另一點后再分散開來執行任務。其構想如圖3（b）所示。除了環境適應能力得到提高，模塊化的設計使得每個機器人完全相同，一旦某個機器人損壞，后續的備用模塊便可替代其完成工作，即具備自修復的能力。

圖3 群體機器人結構重組以自適應地形Fig.3 Swarm robots’reconfiguration to adapt to terrain

2.2 自主對接

如圖4所示，Sambot之間的自主對接可分為探測、導引、接近、鎖緊4個階段。在對接開始時，一個Sambot機器人（稱為主動Sambot）通過安裝在本體前、后兩個面上方的探測紅外傳感器，檢測周圍是否有其他Sambot存在，一旦檢測到存在（稱為被動Sambot），主動Sambot將主動對接面板旋轉到被動Sambot的一側，同時打開主動對接面板下面的對接紅外傳感器，此時該對接紅外傳感器可以接收到被動Sambot下面接近紅外傳感器發出的信號；隨后，主動Sambot在2對對接紅外傳感器的導引下向被動Sambot 接近，當到達一定距離時，位于主動Sambot對接面板上的機械對接接觸開關被壓下，此時觸發主動對接卡扣做鎖緊動作，嵌入到被動Sambot的對接卡槽中，實現與被動Sambot的對接。Sambot之間的自主對接是實現多個Sambot自組裝的基礎。

由于星球表面地形復雜，地面往往崎嶇不平，難以保證機器人對接時處于正對位置，因此必須在結構上改進，以允許機器人在一定誤差下實現對接。對對接卡扣和卡槽的表面進行修正，使兩者各具有一定的斜面，這樣多個機器人在沒有對齊的情況下仍能完成對接。圖5所示主動對接機器人由于地面的不平整，姿態發生改變，未能與被動對接機器人對齊，但其位姿在誤差允許范圍內，仍然可以實現對接。分析6種情況下機器人允許的對接誤差，根據圖5所示，將允許的最大位置偏量和角度旋轉偏量列于表2。

圖5 存在對接誤差狀態示意圖Fig.5 Diagrams of docking error conditions

表2 對接時允許的最大誤差值Table2 Permission maximum errors when docking

2.3 構型方案和自組裝分析

自組裝群體機器人最主要的特征，就是能夠根據作業環境變化和任務要求，自主地改變機器人形狀。多個Sambot最初隨機分布在一個作業環境中，當遇到單個機器人不能克服的障礙時，多個Sambot能根據作業環境的不同，如跨越深溝，可以構成蛇型構型，如適應崎嶇路面，則需要構成四足或多足構型；再通過集合體機器人的整體運動，達到克服障礙的目的。與現有的自重構機器人依靠手工構建或依賴特殊環境和結構構建不同，Sambot可以實現給定目標構型機器人的完全自主構建。對Sambot可能構建的多種運動構型進行分析，將構型抽象成一種易于表達的連接關系，以建立Sambot的運動構型庫，用于自組裝控制。用3D 軟件建立了由多個Sambot組成的集合體機器人構型模型，按照機器人關節的分布關系，將構型分為線性構型和多足構型兩種。

1）線性構型

線性構型的連接較為簡單，由多個Sambot通過前后串行聯接組成，包括蛇形與環形兩種，分別如圖6（a）、6（b）所示。

圖6 線性構型Fig.6 Linear configuration

2）多足構型

圖7（a）給出了由9個Sambot模塊組成的三足構型，可以通過3條腿的的關節轉動實現機器人的運動；圖7（b）給出了由15個Sambot模塊組成的四足構型，類似于哺乳動物的四足機器人，3個模塊作為連接的“脊柱”，每個腿部由3個模塊組成。機器人通過腿部關節的旋轉實現行走，腳部的關節可使機器人與地面的接觸為面接觸，增加穩定性。圖7（c）給出了一種由13個Sambot模塊組成的十字交叉四足機器人，中心的一個模塊作為機器人中心，有4條腿分別與中心模塊相連，通過4條腿的協調運動實現機器人的全方位移動。圖7（d）、7（e）給出了由更多Sambot模塊組成的多足機器人構型。

圖7 多足構型Fig.7 Multi-legged configurations

3 仿真與驗證

首先，利用Microsoft Robotic Studio（MSRS）建立仿真平臺，搭建Sambot機器人系統模型。利用MSRS驗證提出的各種對接和自組裝算法，并進行優化改進。然后，在實際平臺上執行自組裝試驗，以驗證傳感器的功能、算法的效率及可靠性，分別演示了5個Sambot進行自組裝達到蛇形構型和四足構型的過程，同時還給出蛇形構型的整體運動過程。

3.1 自組裝過程仿真

在MSRS仿真環境中，按照現實的機器人參數和物理環境，搭建了自組裝群體機器人仿真平臺，在平臺上可以驗證自組裝算法，并且可以根據仿真效果動態優化控制參數。圖8（a）演示了5個Sambot模塊組裝成蛇形構型的過程，紅色的光線表示紅外傳感器正在實時探測。圖8（b）演示了同樣的5個Sambot模塊組裝成四足構型的過程。

圖8 5個Sambot模塊組裝構型仿真Fig.8 Simulation of construction of five Sambot modules

3.2 自組裝試驗

根據仿真結果和控制算法，采用5個Sambot機器人，在1 000mm×1 000mm 的平臺上進行了蛇形構型和十字交叉四足構型的自組裝試驗。圖9（a）演示了5個Sambot模塊自組裝成蛇形構型的過程，圖上的黑色箭頭表示對接方向。圖9（b）演示了自組裝而成的蛇形構型的運動情況，顯然其具有類似蠕動的步態。

圖10演示了5個Sambot模塊自組裝成十字交叉四足構型的過程，除每次自組裝過程中新添加機器人是手工加入到平臺外，整個自組裝過程都是自主進行的。包括手工加入新機器人的時間，整個四足構型的自組裝共耗時4min50s。

圖9 自組裝試驗Fig.9 Experiments of self-assembly

圖10 四足構型的自組裝序列Fig.10 Self-assembly suquence of four-legged configuration

4 結束語

地外星球的地理環境十分特殊，并且有些是難以預知的，加上探測成本的高昂和極具挑戰性，因此，引入群體機器人和自組裝機器人的概念是一個可行的解決方法。本文提出一種自組裝群體模塊化機器人，融合了群體機器人和自重構機器人的優點，能夠顯著提高其在非結構化環境中的適應性。在文中基于空間探測的構想，利用嵌入式集成技術設計了一種新型的模塊Sambot，對其可能組成的構型進行模型分析和驗證，并分別在仿真平臺和現有的實際平臺上進行了驗證。由試驗結果可以看出，Sambot具有顯著的可行性和多樣性。在后續的研究中，還主要開展以下幾方面的工作。首先，研究多個Sambot自組裝和自重構算法；其次，研究適應多種構型的運動控制方法；最后，實現從給定構型自動構建、構型整體運動到任意構型間重構的自主控制，為進一步研究適應復雜星球地形的控制、形狀與功能可同時進化的機器人系統奠定基礎。

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