一種模塊化自重構變胞機器人

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，由多自由度的關節構成。其具有良好的環境適應性，能夠根據周圍環境情況，在大范圍內對自身的形狀做出改變，因此變胞機器人在軍事偵查、醫療衛生等領域具有廣闊的應用前景。綜述軟體機器人的方案分析、機構設計、應用領域等問題。

關鍵詞：機器人；結構設計；變胞結構

0引言

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

變胞機構于1988 年首次提出，這一新類型機構能夠根據環境和工況的變化和任務需求進行自我重組和重構，自提出以來廣泛地應用于制造業和機器人。特別是在航空航天，探索機器人等領域，變胞機構有著極為重要的應用。

1方案分析

模塊化自重構變胞機器人，該機器人能夠面對不同的環境，自動實現自身結構的重構，即變胞，從而最大程度上適應各種不同的地形。同時此機器人采取模塊化設計，易于拆卸和組裝，同時可以實時傳回采集到的圖像和數據，完成偵查和探測等工作。關鍵如下幾點：

（1）創新點：

a） 采用模塊化設計。此機器人采用模塊化設計的方法，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，各個模塊之間協同工作，便于拆裝，對于新的應用場景，可以添加新的模塊，進行二次開發，具有一定的柔性；

b） 三種構態自動切換，以應對不同的地面環境，從而實現對地形最大程度的適應，并實時傳回現場情況。

（2）關鍵技術：

a） 機器人的動力學分析以及步態規劃，目前此方面實驗室已經有數年的經驗積累；

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進行環境識別，項目組有豐富的開發經驗，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） 機器人系統的集成控制，為了更好地適應不同的地形，機器人的體積不能過大，這就要求控制系統必須高度集成，同時也要滿足功能的要求。

（3）科學性：

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

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

c）設置有故障應急系統，當檢測到電壓電量過低自動報警，并發出光閃信號，便于及時更換電池和回收。

2方案設計

（1）系統設計原理

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構設計和電子硬件的搭建，實現機器人的自重構和運動。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，再向下位機發送相應的指令，實現某些特定的功能。上位機和下位機通過機器內部裝設的串口進行通信從而實現上下機的同步。通過圖像的識別，辨別所處的環境，進行構態的轉換，從而適應不同環境。

（2）變胞機器人的原理分析與設計

變胞機構是具有變拓撲結構的機構，變胞機構的描述方法需要符合自身的特點，每一拓撲結構圖可采用鄰接矩陣表示，并可進行矩陣運算，僅根據拓撲圖的變換來進行變胞機器人的設計。所設計的變胞機器人具有半臥式、臥式構態，具體展示如下：

根據圖1 可以構造出如下方案：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節（由機器人舵機實現）及連桿和機器人主體相聯。通過電機的驅動，每一條履帶都可以實現任意角度或方向的伸展、折疊或旋轉。通過這些履帶、關節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態，不同構態可以適應不同環境的需要。

3結束語

本文提出了一種變胞機器人，并對其調節機構進行了較為詳盡的闡述。整體構造簡單，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密集性高、系統工程強的智能技術，廣泛應用于航空航天、未知地形探索等領域，用途十分廣泛，具有非常重要的民用和軍事應用價值。

（1）航空航天領域的廣泛應用

變胞機構的發展，源于人類開發大自然和開拓外空間的實際需求，是對傳統的定自由度和定拓撲結構的機構的一個新的突破和拓寬。因此，在航空航天領域變胞機構有著極為重要的應用。在星球探索機器人、航天器太陽能板展閉機構等，都有著極為重要的作用。

（2）未來軍事化戰爭和防御重要作用

由于變胞機器人對未知環境的高度自適應能力，其可以廣泛應用于軍事偵查、突襲等領域，最大程度上減少人員損失，取得新時代下信息化戰爭的勝利。

（3）災害搜救、泄露現場探測等工作

此種變胞機器人可以輕松的穿過洞口等狹小環境，并將現場的環境實現實時回傳，因此可在災害救援等領域發揮較大的作用。同時，針對化工泄露等特殊情況，還可搭載專業的傳感器進入現場進行勘測。

通過閱讀本文，不僅能滿足變胞機器人研究人員對結構設計的參考需求，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量產化、商品化，激發青少年對機械構造的熱情，可放于科技館讓大眾了解機械構造的精妙與淵博，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]. 物聯網技術， 2017， 7（8）：6-9.

[2]李東福， 李強， 劉新芹，等. 基于ADAMS變胞機器人構態變換研究[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計[J]. 機械設計與制造， 2012（6）：189-191.