針對多功能模塊化智能機(jī)器人的科學(xué)研究

賀文

摘 要：機(jī)器人作為典型的自動化智能產(chǎn)品，在近幾年備受關(guān)注。針對不同的應(yīng)用環(huán)境，不同種類的機(jī)器人得到研發(fā)并被投入到復(fù)雜或危險的工作任務(wù)中去。為打破通用性和成本等因素的制約，進(jìn)一步提高環(huán)境適應(yīng)性和任務(wù)執(zhí)行力，一種新型的多功能模塊化智能機(jī)器人得到了國內(nèi)外很多研發(fā)團(tuán)隊的青睞。本文將立足于該現(xiàn)狀，針對多功能模塊化智能機(jī)器人展開科學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：多功能；模塊化；機(jī)器人；結(jié)構(gòu)組成；技術(shù)特點

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0032-01

近年來，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得各類機(jī)器人廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、教育以及服務(wù)等領(lǐng)域。機(jī)器人在理論上可定義為一種可編程的多功能柔性設(shè)備，通過基于不同算法的編程來滿足不同工作任務(wù)的需求。但傳統(tǒng)的機(jī)器人基本上都是根據(jù)特定的任務(wù)來開發(fā)的，具有固定的結(jié)構(gòu)和功能，并受到了通用性和成本等因素的制約，其使用的工作環(huán)境也在一定程度上受限，這些因素大大阻礙了其在應(yīng)用領(lǐng)域的推廣[1]。為解決這些問題，打破傳統(tǒng)機(jī)器人的條件限制，一種模塊化的創(chuàng)新性設(shè)計方法應(yīng)運而生。本文將立足于這種新型機(jī)器人設(shè)計思路，對基于單片機(jī)的多功能模塊化智能機(jī)器人展開研究。

1 多功能模塊化智能機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀

多功能模塊化智能機(jī)器人由多個模塊結(jié)構(gòu)組成，可以自主改變自身結(jié)構(gòu)，同時每個模塊又具備不同的功能特性，既可以適應(yīng)周圍環(huán)境，又可以執(zhí)行復(fù)雜環(huán)境下的特定工作任務(wù)[2]。該種機(jī)器人的高度環(huán)境適應(yīng)性和高性能的任務(wù)執(zhí)行力，使其非常適合應(yīng)用于搜救工作或者是空間探測等高度不可預(yù)知的復(fù)雜環(huán)境中。近年來，多功能模塊化智能機(jī)器人的研發(fā)也得到了國內(nèi)外的重視。

在國外，有很多科研機(jī)構(gòu)開展了對該新型機(jī)器人的研究，如日本的名古屋大學(xué)，東京工業(yè)大學(xué)，美國的南加州大學(xué)，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，以及日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）等等。最為典型的多功能模塊化智能機(jī)器人當(dāng)屬日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研發(fā)的模塊變形者“M-TRAN”，目前已經(jīng)開發(fā)出多代衍生產(chǎn)品。M-TRAN由不同功能的模塊組成，而每個模塊同時又具備自己的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即電機(jī)作動器，這使得每個模塊都具備自主運動的能力。M-TRAN可以自己變形，并建立了模塊之間的通信，可以像蛇一樣通過狹小空間，而且能夠跨越障礙。同時，該機(jī)器人具備自主結(jié)構(gòu)變形和自修理功能，大大提高了工作的容錯性。即使其中有模塊出現(xiàn)故障，其他部分也可以完成更換受損模塊或者重新變形重組，來解決問題并保持自身功能，從而保障了工作的正常進(jìn)行。

2 工作原理和方案設(shè)想

多功能模塊化智能機(jī)器人平臺采用了模塊化的設(shè)計思路，整體由一套尺寸不同、性能特征各異的模塊組成。模塊化思想的核心就在于通過不同的模塊，快速裝配出最適用于完成給定任務(wù)的智能機(jī)器人[3]。相比于傳統(tǒng)機(jī)器人，模塊化機(jī)器人具有的柔性更高，容錯能力更強(qiáng)，并且還具有一定的自修復(fù)能力，不同模塊對環(huán)境和任務(wù)的高適應(yīng)性也大大降低了其制造成本。

為了實現(xiàn)機(jī)器人模塊化設(shè)計，必須將機(jī)器人每一部分的功能（動力、視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等）分別存放在一個單獨的模塊中，通過這些模塊之間的連接、拼裝構(gòu)成一個相互協(xié)調(diào)、目的統(tǒng)一的機(jī)器人整體。為了實現(xiàn)更高的智能化，在每一個模塊中加入能夠區(qū)別于其他模塊的信息，行為模塊在分析完外來的語音命令后，通過掃描其它部分的特有信息，根據(jù)已有程序自行設(shè)計行走路線、實現(xiàn)自行拼裝。機(jī)器人系統(tǒng)及每個系統(tǒng)包含的模塊大致分類如下：

（1）能源系統(tǒng)：電源模塊、太陽能充電模塊為整個機(jī)器人提供能量來源。（2）行動系統(tǒng)：電機(jī)及驅(qū)動器模塊，實現(xiàn)機(jī)器人的運動。（3）人機(jī)交互系統(tǒng)：揚聲器模塊、錄音器模塊實現(xiàn)與機(jī)器人的語音交互，從而實現(xiàn)語音控制；LED屏顯示模塊顯示機(jī)器人采集的參數(shù)；無線連接模塊，通過藍(lán)牙將機(jī)器人采集到的信息傳送到電腦；通過設(shè)計模塊化平臺軟件來實現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。（4）信息采集系統(tǒng)：位移傳感器模塊，采集位移、速度、加速度等信息；溫度傳感器模塊，感知外界溫度，躲避高溫低溫物體；圖像采集模塊，采集外界圖像信息等。該系統(tǒng)根據(jù)需要選用不同的傳感器采集不同的信息。（5）調(diào)節(jié)系統(tǒng)：采用變阻器等設(shè)備實現(xiàn)電機(jī)速度、驅(qū)動力、光線強(qiáng)度等信號量的變化。（6）結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)：一些沒有特定功能，主要用于結(jié)構(gòu)連接的模塊，目的是實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性。（7）通信系統(tǒng)：通過CAN總線來實現(xiàn)不同模塊之間的數(shù)據(jù)通信。（8）軟件系統(tǒng)：主要采用相關(guān)算法（如D-H算法）實現(xiàn)機(jī)器人的正運動學(xué)和逆運動學(xué)運算，從而可進(jìn)行運動規(guī)劃和軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)對機(jī)器人運動的控制[4]。同時，應(yīng)建立不同模塊與上位機(jī)之間的控制映射，保證指令的正常傳遞。

3 多功能模塊化機(jī)器人的創(chuàng)新點

多功能模塊化機(jī)器人突破了機(jī)器人的常規(guī)結(jié)構(gòu)和功能。與傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，多功能模塊化智能機(jī)器人是將固定的結(jié)構(gòu)變成一個一個具有特定功能的正方體模塊。正方體外形的選擇原因來源于積木原理，目的是為了便于在各個方向上進(jìn)行拼接。每一個正方體模塊都具有不同的功能，比如有移動模塊、光線傳感器模塊等等，通過對各個模塊不同的拼接組合，可以實現(xiàn)不同的功能的組合，從而達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境和執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的目的。

當(dāng)然，本文中所設(shè)計的多功能模塊化機(jī)器人平臺尚處于初步發(fā)展階段，可能存在以下幾點缺陷：設(shè)計出的模塊類型尚不豐富，存在很大的擴(kuò)充空間；模塊體型較大，若把模塊進(jìn)行體積的縮減，電路的集成，模塊價格可能會上升；主動模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩小，應(yīng)為每一個模塊建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高機(jī)器人的整體性能。這些地方將在未來的研發(fā)中逐步改進(jìn)。

4 結(jié)語

現(xiàn)在的簡易機(jī)器人一般是根據(jù)某個特定目的開發(fā)的，所以結(jié)構(gòu)和功能相對固定，同時為了實現(xiàn)多種功能，需要制作許多類機(jī)器人。而通過功能模塊化，正方體的結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活多變，從而功能可以相互組合，解決了實現(xiàn)多種功能需要多類機(jī)器人的問題，同時也提高了機(jī)器人的容錯性。面對空間探測和抗震救災(zāi)等復(fù)雜的工作環(huán)境，多功能模塊化機(jī)器人具備巨大的性能優(yōu)勢，因此，該機(jī)器人擁有很好的發(fā)展前景和科研價值，值得我們進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]周雪峰，江勵，朱海飛，蔡傳武，管貽生，張憲民.一個模塊化機(jī)器人平臺的設(shè)計[J].華南理工大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2011，39（4）：50-55.

[2]龍斌，毛立民，孫志宏，陳革.國外自主變結(jié)構(gòu)模塊機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械設(shè)計，2005， 22（5）：1-4.

[3]劉明堯，談大龍，李斌.可重構(gòu)模塊化機(jī)器人現(xiàn)狀和發(fā)展[J].機(jī)器人，2001， 23（3）：275-279.

[4]陳桂，王建紅，湯玉東.KUKA機(jī)器人運動學(xué)仿真與實驗研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2014（8）：94-97.