基于模塊化思想的陸空多功能機(jī)器人平臺設(shè)計(jì)

王嘉駿

（北京市中關(guān)村中學(xué)，北京，100086）

0 緒論

隨著機(jī)器人在人類生產(chǎn)生活中參與度的加深，人們對于機(jī)器人的性能和便捷性有了更大的需求，以前，不同種類的機(jī)器人之間幾乎是毫無關(guān)聯(lián)的，甚至可能連零件都無法共用，這大大降低了機(jī)器人的便捷性。在不斷研發(fā)中人們發(fā)現(xiàn)，各種各樣的機(jī)器人拆分后基本都是由控制器、執(zhí)行器和傳感器構(gòu)成，將各種不同的機(jī)構(gòu)重新整理并以統(tǒng)一規(guī)格的模塊出現(xiàn)在機(jī)器人身上的想法，也隨之而出。

模塊化的機(jī)器人更加便捷，但隨之而來的問題就是如何將不同的機(jī)構(gòu)整理成為擁有統(tǒng)一規(guī)格的模組，而這個問題所帶來的就是針對不同機(jī)構(gòu)中的新技術(shù)的突破。作為一塊多功能模塊化機(jī)器人平臺，需要解決多種模組之間的兼容性問題，這就需要對規(guī)格嚴(yán)格控制。

陸空兩棲需要兼顧陸地上的越障問題和空中的操控定位問題，并且作為一個平臺，需要有額外的空間來搭載不同的任務(wù)模組，平臺和模塊的重量問題便是亟待解決的。目前的陸空兩棲機(jī)器人趨于一體化設(shè)計(jì)，可具體分為兩種：第一種是最初的四旋翼和自由輪結(jié)合的方式，此設(shè)計(jì)在地面移動時通過四旋翼的旋轉(zhuǎn)提供動力的方式存在很大缺陷，由于輪子均作為從動輪通過機(jī)體的傾角產(chǎn)生移動，因此在控制機(jī)器人在前進(jìn)、后退、左右移動時極為不方便且速度不能控制，其次由于機(jī)器人具有慣性，因此基本無法實(shí)現(xiàn)從運(yùn)動狀態(tài)馬上切換為停止?fàn)顟B(tài)；第二種是目前常見的仿生型設(shè)計(jì)，在旋翼的底部加入多足驅(qū)動，使之完成地面移動，但是行動速度極為緩慢，基本上無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成特定的任務(wù)，從而降低了效率。

因此，一款多功能、多用途、體積小和載重量大的新型兩棲旋翼機(jī)器人也相應(yīng)的成為國內(nèi)外軍方、科研以及其他團(tuán)隊(duì)研究的熱點(diǎn)，所以市場前景非常樂觀。

1 國外類似項(xiàng)目發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 大型載人或運(yùn)輸兩棲無人系統(tǒng)

美國“高級戰(zhàn)術(shù)”公司研制的無人飛行卡車“黑騎士變形金剛”,如圖1 所示，采用八旋翼布局，體型龐大，旋翼在地面行駛時收攏在車兩側(cè)，起飛時展開，旋翼收起時汽車全長約7.6m，寬約2.5m。展開時總長約9.5m，寬約5.8m。黑騎士變形金剛是一款無人駕駛設(shè)備，其類似于谷歌公司目前研發(fā)的無人車，功能極其強(qiáng)大，并且智能化程度很高，可自主執(zhí)行任務(wù)或遠(yuǎn)程遙控操作，未來可能用于戰(zhàn)地救護(hù)、物資運(yùn)輸?shù)扔猛尽５秉c(diǎn)就是體型龐大，工作領(lǐng)域有限。

圖1 美國“高級戰(zhàn)術(shù)”公司研制的無人飛行卡車“黑騎士變形金剛”

1.2 微小型無人兩棲機(jī)器人

南安普敦大學(xué)Super B 機(jī)器人比較著名，可以在普通路面上運(yùn)動自如，又能隨時起飛以越過大型障礙物。機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較緊湊，由于車身使用了聚碳酸酯材料，使機(jī)器人在保持機(jī)體高強(qiáng)度、高韌性的條件下重量大大降低，而車輪使用了柔性塑料，使車輪在墜落受到?jīng)_擊時不致?lián)p壞。但缺點(diǎn)就是由于輪子均作為從動輪通過機(jī)體的傾角產(chǎn)生移動，因此在控制機(jī)器人在前進(jìn)、后退、左右移動時極為不方便且速度不能控制；并且由于機(jī)器人具有慣性，因此基本無法實(shí)現(xiàn)從運(yùn)動狀態(tài)馬上切換為停止?fàn)顟B(tài)。續(xù)航能力較差，由于靠旋翼的動力來克服地面滾動的阻力，因此浪費(fèi)了大量的能量，在地面模式下可運(yùn)行27 分鐘，移動2400 米的距離，而在飛行模式下則分別僅為5 分鐘和600 米，混合工作的話續(xù)航能力可能更低，對于一些較長時間的任務(wù)可能不能勝任，并且價格昂貴，不能大規(guī)模應(yīng)用于中小企業(yè)的生產(chǎn)生活中。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 概述

本平臺設(shè)計(jì)最初目的是提供一款擁有較大承載空間可裝載不同任務(wù)模塊的側(cè)重于空中飛行并以地面行動為輔助的多功能平臺，其大致外觀如圖2 所示。其意義在于補(bǔ)充目前國際上和國內(nèi)只可完成單一任務(wù)模式的產(chǎn)品。而本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目的就是將不同的任務(wù)所需的功能進(jìn)行分解，交由若干個模塊完成，再將不同任務(wù)所需的若干模塊整合分類，達(dá)到在工作時根據(jù)任務(wù)功能需求挑選所需的模塊快速安裝在本平臺上，以達(dá)到節(jié)約任務(wù)準(zhǔn)備時間、節(jié)省人力物力的效果。

圖2 陸空一體化多功能機(jī)器人平臺示意圖

2.2 應(yīng)用場景

本平臺是一款基于多功能模塊化的陸空兩棲平臺，可滿足市面上大多數(shù)對于此類平臺有需求的民用作業(yè)如：地形勘探、環(huán)境取樣、搶險(xiǎn)救災(zāi)等，而本平臺大小適中，在經(jīng)過簡單的降噪、物理涂裝隱形、控制加密等改裝處理后，可滿足大部分中低強(qiáng)度的軍用任務(wù)如：隱藏偵察、監(jiān)控目標(biāo)，在加裝特殊裝備模塊后還可進(jìn)行信息攔截等高價值任務(wù)。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1 概述

本平臺主體采用較輕的尼龍材料框架結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減輕重量的目的。整體外形為類長方體，帶有流線型的設(shè)計(jì)以減小飛行時的風(fēng)阻，達(dá)到節(jié)能并增加續(xù)航時間的目的，外殼中放置一塊用于地面掃描和任務(wù)路徑檢測的地面運(yùn)動主板，使平臺具有在地面運(yùn)動時進(jìn)行簡單的自主避障功能，若在平臺上加裝的模塊化的道路紅外掃描器以及攝像頭，則可將實(shí)時的道路畫面?zhèn)骰乜刂破脚_，以更加精確地控制平臺的移動。同時平臺還將內(nèi)置一塊簡單的飛行控制主板，使平臺可以進(jìn)行復(fù)雜地上運(yùn)動的同時，在面對通過地上運(yùn)動無法到達(dá)的目的地時，可采取短距離、低高度的空中飛行，這種陸空結(jié)合的模式可滿足大部分任務(wù)情景的需求，可有效地提升平臺的應(yīng)用范圍[1][3]。

3.2 地面運(yùn)動部分

地面行動的動力是由一臺小型的電機(jī)提供，通過齒輪傳動將動力輸送到四個弓形的輪子上，輪子之間可以聯(lián)動也可作為個體單獨(dú)運(yùn)動以應(yīng)付諸多復(fù)雜地形。每個輪子都可裝自主懸掛系統(tǒng)使平臺的穩(wěn)定性增加，同時可提高任務(wù)完成質(zhì)量。采用弓形輪是因?yàn)檫@種輪子可在盡可能少的削減可以運(yùn)行的地形種類的情況下達(dá)以到最大的減重，并且還可為平臺在地面運(yùn)動是提供相當(dāng)?shù)臏p震效果，這種輪子配合上單獨(dú)的懸掛系統(tǒng)可是平臺在運(yùn)動中的穩(wěn)定性提升到一個更高的層面。

3.3 空中運(yùn)動部分

空中飛行的動力是由在主體的四個頂角支出的可伸收由尼龍材料制成的平面連桿機(jī)構(gòu)上帶著的四個可分開控制的旋翼提供，旋翼由高分子的輕質(zhì)材料制成，這樣可以在保證旋翼強(qiáng)度的同時盡可能的減小平臺基本質(zhì)量，增加荷載。每個旋翼都有一臺單獨(dú)的小型電機(jī)，這樣不但可以減小控制部分設(shè)計(jì)的難度，還可增大平臺整體的升力，從而可以增大整個平臺的荷載。平臺在空中進(jìn)行任務(wù)時，可通過調(diào)節(jié)四個旋翼的旋轉(zhuǎn)速度來改變飛行方向、飛行速度、飛行高度，不同轉(zhuǎn)速使旋翼產(chǎn)生不同的提升力，從而實(shí)現(xiàn)平臺在空中的懸停、前進(jìn)、后退、向左、向右及偏航動作，使平臺可滿足簡單飛行任務(wù)的要求，最大發(fā)揮本平臺的實(shí)用性。在此說明當(dāng)平臺在地面運(yùn)動時四個帶有旋翼的平面連桿機(jī)構(gòu)會通過舵機(jī)的控制收回到主體內(nèi)，以達(dá)到減小平臺大小、防止旋翼刮蹭到外物的情況發(fā)生，并且在執(zhí)行特殊任務(wù)時可有效增加平臺的隱蔽性，其具體結(jié)構(gòu)如飛機(jī)起落架，見圖3。

圖3 機(jī)翼回收四連桿裝置原理示意圖

4 控制設(shè)計(jì)

4.1 概述

本平臺采用飛行控制和地面運(yùn)動控制分開調(diào)試的機(jī)構(gòu)，其意在于減小故障率，增強(qiáng)平臺穩(wěn)定性和對復(fù)雜任務(wù)情景的適應(yīng)性。兩棲機(jī)器人平臺的硬件系統(tǒng)主要包括飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電源及動力系統(tǒng)、遙控及無線通信模塊及其他任務(wù)設(shè)備。其中的導(dǎo)航系統(tǒng)可作為地形和任務(wù)路線收集器，以完成附加任務(wù)，而無線電通信模塊和遙控模塊相結(jié)合，可配合攝像頭等信息采集模塊，將數(shù)據(jù)畫面實(shí)時傳輸或存儲在平臺自帶的存儲盤中，以便人物結(jié)束后供研究人員參考。其中飛行控制模塊和地面運(yùn)動控制模塊共用一塊單片機(jī)，并且空中和地面模式的轉(zhuǎn)換是與支出四臺旋翼共用同一個指令，在平面連桿機(jī)構(gòu)工作的同時，控制系統(tǒng)也會相應(yīng)的進(jìn)行轉(zhuǎn)換[2]。

4.2 飛行運(yùn)動控制

飛行運(yùn)動控制主要由分布在四角通過連桿機(jī)構(gòu)連接的電機(jī)、飛行控制模塊和飛行控制傳感器構(gòu)成。飛行控制傳感器將數(shù)據(jù)采集后匯總輸入飛行控制面板，通過面板自帶的程序算法解算飛行數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)簡單分析進(jìn)行基本的飛行姿態(tài)調(diào)整，從而進(jìn)行簡單的避障功能，同時將解算后的信息通過信號傳輸回控制器，以便操縱人員對平臺的姿態(tài)進(jìn)行手動調(diào)整，從而最大的保證平臺的安全性，從而提高任務(wù)完成的質(zhì)量以及效率[4]。

4.3 地面運(yùn)動控制

路上控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動四個弓形輪的電機(jī)、地面運(yùn)動控制模塊和地面運(yùn)動傳感器構(gòu)成，因?yàn)榈孛孢\(yùn)動和空中運(yùn)動有重疊的掃描部分，所以平臺搭載的用于自主活動的傳感器可空地公用。平臺搭載的傳感器會在任務(wù)時間內(nèi)實(shí)時掃描，并將數(shù)據(jù)輸入控制模塊中，由控制模塊進(jìn)行自主參數(shù)分析解算，并將分析所得結(jié)果分別傳回控制臺和平臺上的執(zhí)行器中，使得平臺可自主執(zhí)行一些簡單的地面避障運(yùn)動，傳回控制臺的參數(shù)可實(shí)施反饋到外設(shè)計(jì)算機(jī)中，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致地分析，從而獲得更多的信息。傳感器也可配合攝像頭模塊將實(shí)時拍攝畫面?zhèn)骰乜刂婆_，使得操縱者可以在第一時間了解任務(wù)進(jìn)行情況，并對其做出相應(yīng)的調(diào)整。由于考慮到面對不同的任務(wù)地形，可能會遇到因地面崎嶇不平而導(dǎo)致的輪子懸空或卡入異物導(dǎo)致短時間失去部分動力的情況發(fā)生，平臺可根據(jù)安裝在四個驅(qū)動電機(jī)上的重力傳感器傳回的參數(shù)進(jìn)行分析，并解算出每個輪子所承受的平臺重量，并根據(jù)解算的數(shù)據(jù)調(diào)整每個驅(qū)動電機(jī)的輸出功率，從而可以解決因地形原因所耽誤時間的問題還可以避免因輪子空轉(zhuǎn)所帶來的能源損耗。

5 設(shè)計(jì)總結(jié)

針對于目前國際上和國內(nèi)的傳統(tǒng)產(chǎn)品大多數(shù)都為單一任務(wù)模式，如：偵察、預(yù)警等，不可根據(jù)不同的任務(wù)情景做出相應(yīng)的調(diào)整，造成了一定程度上的資源浪費(fèi)。本平臺通過搭載任務(wù)模塊以及具備短距離空中飛行等功能，極大地豐富了可完成任務(wù)的范圍，同時也相對經(jīng)濟(jì)。飛行部分采用的可收回的平面連桿機(jī)構(gòu)作為旋翼的支架可有效降低平臺對任務(wù)空間的要求。采用尼龍材料作為平臺的主要用料既保證了平臺的堅(jiān)固性，又有效的降低了平臺自重，使得平臺在有限的動力下提高了機(jī)動性和有效最大載荷。地面運(yùn)動采用的弓形輪子也在盡量滿足任務(wù)地形的情況下起到了減輕重量的效果，令平臺的功能增強(qiáng)。

6 回顧與展望

本平臺自開始設(shè)計(jì)歷經(jīng)四個月，期間經(jīng)過多次設(shè)計(jì)重點(diǎn)方向調(diào)整、改進(jìn)，使得這份設(shè)計(jì)得以完成。目前，本平臺還存在如何將任務(wù)模組整合安裝到平臺上、如何使安裝的任務(wù)模組與本平臺自身搭載的飛行動力部分和地面動力部分不產(chǎn)生沖突以及電等能源供應(yīng)等問題。并且平臺還未形成一套完整的模塊化體系，所以很多任務(wù)模組需要經(jīng)過相應(yīng)的改裝才能裝機(jī)，這就導(dǎo)致了因改裝而造成改裝前各部件功率的縮水，并且可能會帶來不兼容等問題，造成任務(wù)完成率下降。并且由于本設(shè)計(jì)為多功能平臺，所以需要考慮平臺容量的問題，避免因尺寸太小而導(dǎo)致部分模組裝不下，或者是空余面積太多而造成的效率降低。

最后，特別感謝導(dǎo)師趙國棟對本設(shè)計(jì)的悉心指導(dǎo)，以及設(shè)計(jì)說明編寫的改進(jìn)，令本設(shè)計(jì)能以成果的方式呈現(xiàn)。接下來作者會對本設(shè)計(jì)進(jìn)行樣機(jī)化，進(jìn)一步改進(jìn)完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。