微小型自重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)

1混合自重構(gòu)機(jī)器人自1988年名古屋大學(xué)首次提出自重建機(jī)器人cebot以來(lái)，自重建機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量原型?；诓煌闹貥?gòu)方式,這些原型可歸為3種類型:點(diǎn)陣式自重構(gòu)機(jī)器人(LatticeType),如G.Chirikjian提出的MetamorphicRobot,S.Murata提出的Fracta,M.Jorgensen提出的ATRON等;鏈?zhǔn)阶灾貥?gòu)機(jī)器人(ChainType),如M.Yim提出的Polybot,A.Castano提出的CONRO,S.Murata提出的M-Tran等;移動(dòng)式自重構(gòu)機(jī)器人(MobileType),如T.Fukuda提出的CEBOT,H.Benjamin提出的MillibotTrains等。在上述3種自重構(gòu)機(jī)器人類型中,點(diǎn)陣式和鏈?zhǔn)接捎跈C(jī)器人整體結(jié)構(gòu)不可分割,較易實(shí)現(xiàn)自重構(gòu),但是存在單個(gè)子模塊運(yùn)動(dòng)能力有限而無(wú)法獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的缺點(diǎn)。相反,移動(dòng)式自重構(gòu)機(jī)器人結(jié)合了分布式機(jī)器人與自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn),它由若干可自由移動(dòng)的獨(dú)立子模塊組成,易于定位和操控:當(dāng)子模塊呈分散狀態(tài)獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)時(shí)可構(gòu)成分布式機(jī)器人系統(tǒng),當(dāng)遇到單個(gè)子模塊無(wú)法克服的障礙時(shí),可根據(jù)需要與鄰近的模塊自重構(gòu)為整體機(jī)器人。然而,如何從分布式的離散模塊過(guò)渡到自重構(gòu)的整體機(jī)器人這一可逆過(guò)程較難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的典型移動(dòng)式自重構(gòu)機(jī)器人如CEBOT和MillibotTrain都存在一些缺點(diǎn):CEBOT將各功能部件分割成為獨(dú)立的移動(dòng)單元,但每個(gè)單元無(wú)法獨(dú)立于系統(tǒng)工作;MillibotTrain由若干獨(dú)立單元模塊組成,但是囿于結(jié)構(gòu)形式與尺寸限制而無(wú)法集成多功能傳感器用于高效自主重構(gòu)。針對(duì)現(xiàn)有原型的不足,本文研制了一種新型移動(dòng)式自重構(gòu)機(jī)器人。2單元機(jī)器人尺寸和速度本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人由若干相同的單元模塊組成。每個(gè)單元模塊可作為獨(dú)立機(jī)器人執(zhí)行任務(wù),多個(gè)單元模塊可完成自主重構(gòu),設(shè)計(jì)完成的最終單元模塊如圖1所示。由于本機(jī)器人的應(yīng)用背景定位于反恐、災(zāi)難搜救等領(lǐng)域,因此體積越小越好,這就需要在機(jī)器人機(jī)動(dòng)能力和整體尺寸之間取得合理平衡。最終完成的單元機(jī)器人外形尺寸為225mm×168mm×60mm,重量為1023g,最大移動(dòng)速度為80cm/s,最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間約為30min?？紤]到互換性、裝配性,以及最小單元控制等原則,單元機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要可分為以下5個(gè)模塊:履帶模塊、行進(jìn)模塊、對(duì)接機(jī)構(gòu)、彎舉模塊和超聲傳感器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.1維永泰帶結(jié)構(gòu)內(nèi)裝置履帶模塊用于確保機(jī)器人地面移動(dòng)的平穩(wěn)性和越障運(yùn)動(dòng)的順滑性,因此滑移、精度、效率是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。如圖2所示,履帶模塊主要由同節(jié)距履帶和圓形驅(qū)動(dòng)輪組成:其中履帶由90片ABS工程塑料履帶塊通過(guò)1.5mm鋼釬連接而成,履帶的觸地面進(jìn)行掛膠處理以提高抓地能力;驅(qū)動(dòng)輪采用雙排齒導(dǎo)向結(jié)構(gòu),其齒距與履帶節(jié)距相同以保證傳動(dòng)精度,履帶輪中部的環(huán)形導(dǎo)向槽用于確保履帶不發(fā)生側(cè)向偏移。2.2單元機(jī)器人轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和阻燃劑的裝配行進(jìn)模塊需提供足夠的輸出扭矩以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。單元機(jī)器人兩條履帶相距32mm,分別由兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。功率消耗最大的情況發(fā)生在單元機(jī)器人非差動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí),此時(shí)兩個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)只有一個(gè)工作。以此極端情況計(jì)算所需的電機(jī)輸出扭矩選擇合適電機(jī),確保單元機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能。如圖3所示,驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器被整體封裝于杯套中,減速器軸與水封配合后輸出,具有防水防塵功能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)密封杯套與外框間接固定,輸出軸與履帶輪側(cè)面端蓋連接后由固定于外框的軸承座支撐。工作時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶輪旋轉(zhuǎn),機(jī)器人隨之移動(dòng)。2.3自重構(gòu)孔結(jié)構(gòu)對(duì)接機(jī)構(gòu)是準(zhǔn)確完成單元模塊間對(duì)接與可控鎖定的關(guān)鍵所在,其對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、外形尺寸要求苛刻。如圖4所示,對(duì)接機(jī)構(gòu)由一個(gè)多曲面重構(gòu)銷(xiāo)和重構(gòu)孔組成,銷(xiāo)、孔配合之后完成五個(gè)自由度的限制。對(duì)接時(shí),重構(gòu)銷(xiāo)隨著單元機(jī)器人的相向運(yùn)動(dòng)插入重構(gòu)孔中,銷(xiāo)、孔復(fù)合曲面間的接觸力自動(dòng)校正彼此位置,使銷(xiāo)、孔軸線對(duì)齊,從而降低對(duì)單元機(jī)器人初始位置精度的要求,提高機(jī)器人自重構(gòu)效率。如圖5(a)所示,在重構(gòu)孔徑向放置一個(gè)由絲徑0.3mm記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的可控鎖定銷(xiāo),其通過(guò)壓縮彈簧的張力及記憶合金彈簧的拉伸實(shí)現(xiàn)可控往復(fù)運(yùn)動(dòng),用于執(zhí)行上位機(jī)命令,鎖定和釋放兩個(gè)參與對(duì)接的單元機(jī)器人。此外,如圖5(b)所示,為實(shí)現(xiàn)自重構(gòu),且在單元機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行同步探測(cè)和監(jiān)控,中空的重構(gòu)銷(xiāo)內(nèi)放置一個(gè)尺寸為7mm×7mm×4mm的微型CMOS數(shù)字相機(jī)。2.4相鄰模塊設(shè)計(jì)彎舉系統(tǒng)主要用于改變單元或整體機(jī)器人的構(gòu)形以適應(yīng)各種復(fù)雜地形。每個(gè)單元機(jī)器人具有兩個(gè)彎舉模塊,一個(gè)用于自身的簡(jiǎn)單重構(gòu),另一個(gè)用于彎舉與之對(duì)接的相鄰模塊。如圖6所示,一個(gè)盤(pán)式直流電機(jī)通過(guò)諧波減速器變速后輸出彎舉動(dòng)力。為了實(shí)現(xiàn)防水功能,動(dòng)力部件被封裝在密封杯套內(nèi),被動(dòng)履帶驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)兩個(gè)薄壁軸承支承后置于密封容器的兩側(cè)軸肩,與減速器相連的鋼軸與水封配合后輸出力矩。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),被動(dòng)履帶輪隨履帶旋轉(zhuǎn),杯套內(nèi)彎舉模塊與之隔離,可獨(dú)立動(dòng)作。2.5基于折經(jīng)營(yíng)的機(jī)器人單元單元機(jī)器人內(nèi)集成了可全方位掃描的單個(gè)超聲傳感器,用來(lái)取代傳統(tǒng)的陣列方式。為獲得良好的掃描效果,超聲傳感器需要保持一定高度的直立狀態(tài)。由于機(jī)器人被履帶包絡(luò),因此采用折衷方法將傳感器置于艙體內(nèi),通過(guò)機(jī)構(gòu)將之推出并直立,再由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)完成全局掃描(如圖7所示)。基于以上模塊化設(shè)計(jì),單元機(jī)器人具有了完整的功能模塊可用于獨(dú)立執(zhí)行任務(wù),克服了CEBOT移動(dòng)單元功能不全的缺點(diǎn);另外,放置于重構(gòu)銷(xiāo)內(nèi)的微型CMOS相機(jī)可用于自動(dòng)對(duì)接過(guò)程的監(jiān)控和反饋,相比MillibotTrain更易于完成自重構(gòu)。3簡(jiǎn)單重構(gòu)變形根據(jù)前述機(jī)器人設(shè)計(jì),單元機(jī)器人主要由兩個(gè)履帶模塊組成。彎舉模塊動(dòng)作后,任一履帶模塊可繞另一履帶模塊旋轉(zhuǎn),單元機(jī)器人長(zhǎng)度得以增大,如圖8所示。即單元機(jī)器人可完成簡(jiǎn)單重構(gòu)變形,以此增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性能。當(dāng)單元機(jī)器人遇到較小障礙時(shí),可通過(guò)簡(jiǎn)單重構(gòu)功能增加機(jī)體長(zhǎng)度,從而跨越0.4L寬度的溝壑(圖9(a)),或通過(guò)調(diào)整兩個(gè)履帶模塊間的夾角θ,攀越0.4L垂直高度的凸起(圖9(b))。當(dāng)單元機(jī)器人遇到無(wú)法獨(dú)自克服的較大障礙時(shí),可與鄰近單元自主對(duì)接,而后自重構(gòu)為鏈形或環(huán)形機(jī)器人進(jìn)行越障。鏈形機(jī)器人可以跨越寬度溝壑(圖10(a)),或攀越標(biāo)準(zhǔn)樓梯(圖10(b));環(huán)形機(jī)器人可針對(duì)坡形障礙順勢(shì)滾動(dòng),以節(jié)省驅(qū)動(dòng)能源(圖10(c))。4fpga-mb-arm中的視頻融合為實(shí)現(xiàn)上述功能,自重構(gòu)機(jī)器人需要完善的控制系統(tǒng)來(lái)完成多個(gè)單元機(jī)器人之間的定位、對(duì)接、重構(gòu)、越障和信息處理。本文采用如圖11所示的雙層控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行并行控制。其中,基于ARM的中央控制器完成任務(wù)規(guī)劃以及子系統(tǒng)協(xié)調(diào);各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循模塊化原則,執(zhí)行終端命令和信息采集反饋。中央控制器與各子系統(tǒng)之間通過(guò)基于FPGA的串行總線進(jìn)行通信,從而滿足大量信息實(shí)時(shí)交換的要求,同時(shí)也便于后續(xù)模塊擴(kuò)展。自主對(duì)接是移動(dòng)式自重構(gòu)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),需要多種傳感器進(jìn)行信息融合協(xié)作完成,而視覺(jué)模塊是其中最重要的環(huán)節(jié)。本文提出的自重構(gòu)機(jī)器人體積較小,容納電氣硬件的空間極其有限;另外,為了便于自重構(gòu),CMOS相機(jī)被放置于內(nèi)徑為Φ11mm的重構(gòu)銷(xiāo)內(nèi),這些都是嵌入式視覺(jué)模塊電氣設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。根據(jù)空間和像素約束,選用STMicroelectronics公司的型號(hào)為VS6524的CMOS相機(jī),其具有640pixel×480pixel分辨率;選用ADI公司的ADSP-BF533處理芯片,基于ITU656協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)相機(jī)捕獲圖像后,DSP通過(guò)串口總線將數(shù)據(jù)傳遞給ARM中央處理器做進(jìn)一步處理,如圖12所示。ADSP-BF533外擴(kuò)的SDRAM時(shí)鐘頻率高達(dá)133MHz,另外,VS6524需要較長(zhǎng)的柔性電路板與主電路連接,因此,在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須解決由于傳輸線效應(yīng)造成的信號(hào)數(shù)字競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)、信號(hào)完整性等問(wèn)題。如圖13所示,當(dāng)信號(hào)在柔性PCB上傳輸時(shí),PCB表面會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng),可等效為RLCG單元。從而可推導(dǎo)出其特性阻抗為:Z0=Z/Y????√=(R+jωl)/(C+jωc)????????????????√.(1)Ζ0=Ζ/Y=(R+jωl)/(C+jωc).(1)若傳輸線、負(fù)載的特性阻抗不一致,便會(huì)發(fā)生信號(hào)反射(反射比ρ=(Z1-Z2)/(Z1+Z2),其中Z0,1為負(fù)載特性阻抗);當(dāng)源阻抗和導(dǎo)線阻抗不匹配時(shí),則反射在導(dǎo)線上不斷進(jìn)行,從而直接影響數(shù)字信號(hào)的完整性。本文考慮到VS6524信號(hào)線較長(zhǎng),且傳輸頻率為較高的24MHz,因此采用源阻抗匹配的方法來(lái)確保信號(hào)的完整性,并使用HyperLynx進(jìn)行PCB仿真。圖14為阻抗匹配前后,PCLK信號(hào)完整性的變化,可見(jiàn)阻抗匹配后的信號(hào)完整性明顯優(yōu)于匹配前。最終設(shè)計(jì)完成的ADSP-BF533電路板集成32MB的PC133SDRAM,如圖15所示,外形尺寸為50mm×30mm,實(shí)測(cè)最大功耗僅為584mW,完全滿足微小型機(jī)器人應(yīng)用要求。5基于視覺(jué)的自我重建實(shí)驗(yàn)5.1單元機(jī)器人的調(diào)整與重構(gòu)相對(duì)于點(diǎn)陣式和鏈?zhǔn)阶灾貥?gòu)機(jī)器人,移動(dòng)式自重構(gòu)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)較為困難,因此需要制定完善的自重構(gòu)策略以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。當(dāng)執(zhí)行對(duì)接任務(wù)時(shí),本文首先初始設(shè)定參與對(duì)接的兩個(gè)單元機(jī)器人具有不同優(yōu)先級(jí):優(yōu)先級(jí)較高的為主動(dòng)模塊,優(yōu)先級(jí)較低的為被動(dòng)模塊。其次,以兩單元機(jī)器人中心線夾角α(如圖16所示)為參考設(shè)定閾值ΔT:(1)當(dāng)α>ΔT時(shí),不滿足對(duì)接條件,需進(jìn)一步調(diào)整單元機(jī)器人姿態(tài);(2)當(dāng)α<ΔT時(shí),滿足對(duì)接條件,單元機(jī)器人可以開(kāi)始執(zhí)行對(duì)接。兩個(gè)獨(dú)立單元機(jī)器人執(zhí)行對(duì)接時(shí),應(yīng)當(dāng)遵循以下設(shè)定順序:(1)通過(guò)全方位超聲傳感器偵測(cè)彼此位置,并相互接近至大約10cm左右距離;(2)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)碼盤(pán)和超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)碼盤(pán)反饋數(shù)據(jù)獲得兩個(gè)單元機(jī)器人對(duì)稱中線的夾角α;(3)對(duì)指定的被動(dòng)單元機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單重構(gòu),展開(kāi)機(jī)體以露出重構(gòu)孔;(4)主動(dòng)機(jī)器人通過(guò)CMOS微型相機(jī)獲得重構(gòu)孔的精確位置,并反饋至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整,直至兩單元機(jī)器人夾角α小于設(shè)定閾值ΔT;(5)對(duì)主動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單重構(gòu)展開(kāi)機(jī)體,兩單元機(jī)器人相向移動(dòng),重構(gòu)銷(xiāo)插入重構(gòu)孔;(6)重構(gòu)孔內(nèi)徑向鎖定銷(xiāo)彈出,將兩單元機(jī)器人連接鎖定,完成對(duì)接。5.2led圖像的預(yù)處理在對(duì)接過(guò)程中,許多因素如塵霧、光線等都會(huì)影響數(shù)字相機(jī)獲取圖像的質(zhì)量。為加強(qiáng)重構(gòu)孔的可見(jiàn)性,將4個(gè)紅色LED呈正方形放置于重構(gòu)孔四周(圖17(a)),進(jìn)行對(duì)接時(shí),LED上電發(fā)光。相機(jī)獲得的初始圖像經(jīng)ADSP-BF533處理后轉(zhuǎn)化為亮度和紅色的二值圖像,經(jīng)過(guò)異或處理并中值濾波后,便可獲得4個(gè)LED的清晰圖像(圖17(b))。然后將4個(gè)亮點(diǎn)投影到水平軸和垂直軸,獲得矩形的兩個(gè)邊長(zhǎng)LH和LV(圖17(c))。由于初始設(shè)定機(jī)器人在同一水平地面上進(jìn)行對(duì)接,因此LV為常值,而LH在兩模塊夾角α不同的情況下則長(zhǎng)度隨之變化。通過(guò)比較LV和LH的大小對(duì)夾角大小進(jìn)行對(duì)接條件判斷:當(dāng)兩者差值小于設(shè)定閾值時(shí),認(rèn)為兩個(gè)單元機(jī)器人已經(jīng)對(duì)齊,滿足對(duì)接條件;反之,則需對(duì)單元機(jī)器人進(jìn)行位姿調(diào)整,首先由主動(dòng)機(jī)器人向左或向右隨機(jī)偏航一個(gè)角度,若差值變大,則向另一個(gè)方向偏航,逐漸進(jìn)行角度調(diào)整,直至滿足α<ΔT。5.3視覺(jué)接頭對(duì)接任務(wù)之前的角度優(yōu)化根據(jù)前述自重構(gòu)策略,進(jìn)行了兩個(gè)單元機(jī)器人基于嵌入式視覺(jué)的近距離對(duì)接實(shí)驗(yàn),如圖18所示。兩單元機(jī)器人中心線初始夾角為30°,對(duì)接過(guò)程耗時(shí)約15s。對(duì)接完成后,兩單元機(jī)器人順利重構(gòu)為蛇形。如5.1節(jié)設(shè)定的對(duì)接順序,視覺(jué)接管對(duì)接任務(wù)之前,兩單元機(jī)器人的初始中心線夾角α的大小直接取決于超聲傳感器負(fù)責(zé)的單元機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整結(jié)果。但是在另外的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),由于單元機(jī)器人在轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在履帶滑轉(zhuǎn)和滑移現(xiàn)象,僅依靠驅(qū)動(dòng)超聲傳感器的步進(jìn)電機(jī)碼盤(pán)反饋與超聲傳感器自身的測(cè)量數(shù)據(jù),不足以獲得足夠精度的兩單元機(jī)器人間的相對(duì)位置夾角α。由于對(duì)接效率直接決定自重構(gòu)機(jī)器人的整體性能,為解決當(dāng)前機(jī)器人對(duì)接效率偏低的缺點(diǎn),下一步工作將通過(guò)集成基于ME