一種適配多模態的探測機器人機構設計

李勐　劉弋鋒　湛月　袁柳

摘要：提出一種能夠適配多種機動和感知模塊的多模態探測機器人機構，通過適用性強的快速機械和電氣接口，使機器人能夠在陸地、涉水等模態之間進行轉換，并可以不斷開發新型模塊，滿足不同場景的任務需要。機器人實物實驗證實了所提出方法的合理性和有效性。

關鍵詞：機器人;多模態;機構設計

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

探測機器人是于公共安全、防災救災、科學考察、環保監察等領域的自動化的機電設備，能夠人力完成遠程的監測探查、信息獲取任務。然而傳統的探測機器人體積較大、功能單一、可擴展性差，無法應對多變的環境場景[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器人機構設計，由中央模塊、機動模塊和傳感器模塊構成，通過磁力快速機械和電氣接口進行組合，具備穩定、靈活、高效、可擴展性強的特點，能夠通過開發新型的機動模塊和傳感器模塊，實現不斷適應各類任務環境的目標。

1 模塊化的機器人整體結構和接口

探測機器人在陸地模態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器人位置進行部署，在本樣機中球體直徑為140mm。機器人主體由1個中央模塊、2個鏡面對稱的機動模塊、1個傳感器模塊組成。中央模塊為圓柱體，機動模塊為半球體。

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。中央模塊的兩個側面為機動模塊接口，包含機械連接和電氣連接兩部分。機械連接部分（單側）使用4只高強度釹鐵硼磁鐵提供吸力，并通過定位銷確保相對位置準確性，電氣連接部分采用7位金屬觸點陣列，實現邏輯供電、動力供電以及信號傳輸。無連接線的接口設計非常便于模塊的快速更換，可實現帶電熱插拔。機動模塊接口的詳細設計如圖1所示。

2 中央模塊和傳感器模塊

如圖2所示，中央模塊中包含機器人的內置電池電源、處理電路、電源轉換模塊、通信模塊和固定于機身正前方的高清攝像頭，其主要功能是為機器人供電和提供計算能力。

中央模塊內的嵌入式計算采用ARM系統，選用體積小、性能強的樹莓派BCM-2837板卡，運行Ubuntu操作系統。為使機器人具備實時圖像處理能力，使用英特爾Movidius神經計算棒提供0.1 TFLOPS的計算性能。機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、溫濕度傳感器等，在本樣機中，使用分辨率為2592×1944、水平視場角為185°的全景鏡頭，使機器人的視野不局限于正前方。

3 適配多模態的機動模塊

左右機動模塊采用對稱設計，能夠任意互換。模塊內包含了電機、碼盤等元件。為增加機動模塊內部空間，陸地運動模塊和涉水運動模塊均采用薄殼輪式結構，薄殼與半球體通過電機軸連接，利用雙輪差動運動實現機器人的前進、轉彎、旋轉。薄殼結構容易發生形變，因此在薄殼內部設計了加強筋，底部設計了支撐軸承。未來，還可設計采用同樣快速接口的飛行模塊，擴展機器人模態，如圖3所示。

4 實驗和結論

設計完成后，使用高精度3D打印方式制作探測機器人的原理樣機外殼、使用加工中心完成配重塊等結構件加工，并在粗糙地面上進行運動性能測試。原理樣機總質量小于1kg，直線運動最大速度為0.3m/s。能夠實現平面運動、圖像無線傳輸、等功能，滿足樣機設計要求，樣機實物如圖4所示。

下一步，將在樣機上進行基于全景相機的實時多目標檢測，并進一步優化機器人機構設計，考慮機體密封性并進行涉水運動實驗。

綜上所述，本文提出一種能夠適配多種機動和感知模塊的多模態球形探測機器人機構，由中央模塊、機動模塊和傳感器模塊組成，通過特殊設計的基于磁力連接固定的機械和電氣接口實現機動模塊的快速無線連接。原理樣機的運動實驗驗證了所提出機構的可行性和有效性，該機構為小型化、模塊化的探測機器人設計提供了新的思路和方法。

參考文獻

[1] 宛月，楊理踐，井濤.一種兩輪驅動的球形機器人[J].自動化應用，2017（10）：67-69.

[2] 賀晨煜，汪浩，陳巍，等.兩棲球形機器人控制系統研究[J].信息與電腦，2018，406（12）：85-88.

[3] 楊維，殷希梅，張運兵，等.一種微小型單兵偵察球系統的設計[J].電子設計工程，2013（19）：86-89.