微小型自重構(gòu)機器人設(shè)計

微小型自重構(gòu)機器人設(shè)計

1混合自重構(gòu)機器人自1988年名古屋大學(xué)首次提出自重建機器人cebot以來，自重建機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量原型。基于不同的重構(gòu)方式,這些原型可歸為3種類型:點陣式自重構(gòu)機器人(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;移動式自重構(gòu)機器人(MobileType),如T.Fukuda提出的CEBOT,H.Benjamin提出的MillibotTrains等。在上述3種自重構(gòu)機器人類型中,點陣式和鏈?zhǔn)接捎跈C器人整體結(jié)構(gòu)不可分割,較易實現(xiàn)自重構(gòu),但是存在單個子模塊運動能力有限而無法獨立執(zhí)行任務(wù)的缺點。相反,移動式自重構(gòu)機器人結(jié)合了分布式機器人與自重構(gòu)機器人的優(yōu)點,它由若干可自由移動的獨立子模塊組成,易于定位和操控:當(dāng)子模塊呈分散狀態(tài)獨立執(zhí)行任務(wù)時可構(gòu)成分布式機器人系統(tǒng),當(dāng)遇到單個子模塊無法克服的障礙時,可根據(jù)需要與鄰近的模塊自重構(gòu)為整體機器人。然而,如何從分布式的離散模塊過渡到自重構(gòu)的整體機器人這一可逆過程較難實現(xiàn)?，F(xiàn)有的典型移動式自重構(gòu)機器人如CEBOT和MillibotTrain都存在一些缺點:CEBOT將各功能部件分割成為獨立的移動單元,但每個單元無法獨立于系統(tǒng)工作;MillibotTrain由若干獨立單元模塊組成,但是囿于結(jié)構(gòu)形式與尺寸限制而無法集成多功能傳感器用于高效自主重構(gòu)。針對現(xiàn)有原型的不足,本文研制了一種新型移動式自重構(gòu)機器人。2單元機器人尺寸和速度本文設(shè)計的機器人由若干相同的單元模塊組成。每個單元模塊可作為獨立機器人執(zhí)行任務(wù),多個單元模塊可完成自主重構(gòu),設(shè)計完成的最終單元模塊如圖1所示。由于本機器人的應(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,這就需要在機器人機動能力和整體尺寸之間取得合理平衡。最終完成的單元機器人外形尺寸為225mm×168mm×60mm,重量為1023g,最大移動速度為80cm/s,最長續(xù)航時間約為30min。考慮到互換性、裝配性,以及最小單元控制等原則,單元機器人的機械系統(tǒng)主要可分為以下5個模塊:履帶模塊、行進模塊、對接機構(gòu)、彎舉模塊和超聲傳感器驅(qū)動機構(gòu)。2.1維永泰帶結(jié)構(gòu)內(nèi)裝置履帶模塊用于確保機器人地面移動的平穩(wěn)性和越障運動的順滑性,因此滑移、精度、效率是設(shè)計重點。如圖2所示,履帶模塊主要由同節(jié)距履帶和圓形驅(qū)動輪組成:其中履帶由90片ABS工程塑料履帶塊通過1.5mm鋼釬連接而成,履帶的觸地面進行掛膠處理以提高抓地能力;驅(qū)動輪采用雙排齒導(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單元機器人轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機和阻燃劑的裝配行進模塊需提供足夠的輸出扭矩以驅(qū)動機器人。單元機器人兩條履帶相距32mm,分別由兩個無刷直流電機驅(qū)動。功率消耗最大的情況發(fā)生在單元機器人非差動轉(zhuǎn)向時,此時兩個履帶驅(qū)動電機只有一個工作。以此極端情況計算所需的電機輸出扭矩選擇合適電機,確保單元機器人的機動性能。如圖3所示,驅(qū)動電機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)動電機通過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。工作時電機驅(qū)動履帶輪旋轉(zhuǎn),機器人隨之移動。2.3自重構(gòu)孔結(jié)構(gòu)對接機構(gòu)是準(zhǔn)確完成單元模塊間對接與可控鎖定的關(guān)鍵所在,其對于結(jié)構(gòu)強度、外形尺寸要求苛刻。如圖4所示,對接機構(gòu)由一個多曲面重構(gòu)銷和重構(gòu)孔組成,銷、孔配合之后完成五個自由度的限制。對接時,重構(gòu)銷隨著單元機器人的相向運動插入重構(gòu)孔中,銷、孔復(fù)合曲面間的接觸力自動校正彼此位置,使銷、孔軸線對齊,從而降低對單元機器人初始位置精度的要求,提高機器人自重構(gòu)效率。如圖5(a)所示,在重構(gòu)孔徑向放置一個由絲徑0.3mm記憶合金彈簧驅(qū)動的可控鎖定銷,其通過壓縮彈簧的張力及記憶合金彈簧的拉伸實現(xiàn)可控往復(fù)運動,用于執(zhí)行上位機命令,鎖定和釋放兩個參與對接的單元機器人。此外,如圖5(b)所示,為實現(xiàn)自重構(gòu),且在單元機器人運動中進行同步探測和監(jiān)控,中空的重構(gòu)銷內(nèi)放置一個尺寸為7mm×7mm×4mm的微型CMOS數(shù)字相機。2.4相鄰模塊設(shè)計彎舉系統(tǒng)主要用于改變單元或整體機器人的構(gòu)形以適應(yīng)各種復(fù)雜地形。每個單元機器人具有兩個彎舉模塊,一個用于自身的簡單重構(gòu),另一個用于彎舉與之對接的相鄰模塊。如圖6所示,一個盤式直流電機通過諧波減速器變速后輸出彎舉動力。為了實現(xiàn)防水功能,動力部件被封裝在密封杯套內(nèi),被動履帶驅(qū)動輪經(jīng)兩個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)機器人運動時,被動履帶輪隨履帶旋轉(zhuǎn),杯套內(nèi)彎舉模塊與之隔離,可獨立動作。2.5基于折經(jīng)營的機器人單元單元機器人內(nèi)集成了可全方位掃描的單個超聲傳感器,用來取代傳統(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),通過機構(gòu)將之推出并直立,再由步進電機驅(qū)動傳感器旋轉(zhuǎn)完成全局掃描(如圖7所示)。基于以上模塊化設(shè)計,單元機器人具有了完整的功能模塊可用于獨立執(zhí)行任務(wù),克服了CEBOT移動單元功能不全的缺點;另外,放置于重構(gòu)銷內(nèi)的微型CMOS相機可用于自動對接過程的監(jiān)控和反饋,相比MillibotTrain更易于完成自重構(gòu)。3簡單重構(gòu)變形根據(jù)前述機器人設(shè)計,單元機器人主要由兩個履帶模塊組成。彎舉模塊動作后,任一履帶模塊可繞另一履帶模塊旋轉(zhuǎn),單元機器人長度得以增大,如圖8所示。即單元機器人可完成簡單重構(gòu)變形,以此增強機動性能。當(dāng)單元機器人遇到較小障礙時,可通過簡單重構(gòu)功能增加機體長度,從而跨越0.4L寬度的溝壑(圖9(a)),或通過調(diào)整兩個履帶模塊間的夾角θ,攀越0.4L垂直高度的凸起(圖9(b))。當(dāng)單元機器人遇到無法獨自克服的較大障礙時,可與鄰近單元自主對接,而后自重構(gòu)為鏈形或環(huán)形機器人進行越障。鏈形機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)形機器人可針對坡形障礙順勢滾動,以節(jié)省驅(qū)動能源(圖10(c))。4fpga-mb-arm中的視頻融合為實現(xiàn)上述功能,自重構(gòu)機器人需要完善的控制系統(tǒng)來完成多個單元機器人之間的定位、對接、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)對各個子系統(tǒng)進行并行控制。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)之間通過基于FPGA的串行總線進行通信,從而滿足大量信息實時交換的要求,同時也便于后續(xù)模塊擴展。自主對接是移動式自重構(gòu)機器人的關(guān)鍵技術(shù),需要多種傳感器進行信息融合協(xié)作完成,而視覺模塊是其中最重要的環(huán)節(jié)。本文提出的自重構(gòu)機器人體積較小,容納電氣硬件的空間極其有限;另外,為了便于自重構(gòu),CMOS相機被放置于內(nèi)徑為Φ11mm的重構(gòu)銷內(nèi),這些都是嵌入式視覺模塊電氣設(shè)計的難點。根據(jù)空間和像素約束,選用STMicroelectronics公司的型號為VS6524的CMOS相機,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)議進行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)相機捕獲圖像后,DSP通過串口總線將數(shù)據(jù)傳遞給ARM中央處理器做進一步處理,如圖12所示。ADSP-BF533外擴的SDRAM時鐘頻率高達133MHz,另外,VS6524需要較長的柔性電路板與主電路連接,因此,在電路設(shè)計過程中,必須解決由于傳輸線效應(yīng)造成的信號數(shù)字競爭和冒險、信號完整性等問題。如圖13所示,當(dāng)信號在柔性PCB上傳輸時,PCB表面會產(chǎn)生電場和磁場,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,便會發(fā)生信號反射(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,則反射在導(dǎo)線上不斷進行,從而直接影響數(shù)字信號的完整性。本文考慮到VS6524信號線較長,且傳輸頻率為較高的24MHz,因此采用源阻抗匹配的方法來確保信號的完整性,并使用HyperLynx進行PCB仿真。圖14為阻抗匹配前后,PCLK信號完整性的變化,可見阻抗匹配后的信號完整性明顯優(yōu)于匹配前。最終設(shè)計完成的ADSP-BF533電路板集成32MB的PC133SDRAM,如圖15所示,外形尺寸為50mm×30mm,實測最大功耗僅為584mW,完全滿足微小型機器人應(yīng)用要求。5基于視覺的自我重建實驗5.1單元機器人的調(diào)整與重構(gòu)相對于點陣式和鏈?zhǔn)阶灾貥?gòu)機器人,移動式自重構(gòu)機器人實現(xiàn)自重構(gòu)較為困難,因此需要制定完善的自重構(gòu)策略以實現(xiàn)預(yù)期功能。當(dāng)執(zhí)行對接任務(wù)時,本文首先初始設(shè)定參與對接的兩個單元機器人具有不同優(yōu)先級:優(yōu)先級較高的為主動模塊,優(yōu)先級較低的為被動模塊。其次,以兩單元機器人中心線夾角α(如圖16所示)為參考設(shè)定閾值ΔT:(1)當(dāng)α>ΔT時,不滿足對接條件,需進一步調(diào)整單元機器人姿態(tài);(2)當(dāng)α<ΔT時,滿足對接條件,單元機器人可以開始執(zhí)行對接。兩個獨立單元機器人執(zhí)行對接時,應(yīng)當(dāng)遵循以下設(shè)定順序:(1)通過全方位超聲傳感器偵測彼此位置,并相互接近至大約10cm左右距離;(2)經(jīng)驅(qū)動電機碼盤和超聲旋轉(zhuǎn)電機碼盤反饋數(shù)據(jù)獲得兩個單元機器人對稱中線的夾角α;(3)對指定的被動單元機器人進行簡單重構(gòu),展開機體以露出重構(gòu)孔;(4)主動機器人通過CMOS微型相機獲得重構(gòu)孔的精確位置,并反饋至電機驅(qū)動模塊進行姿態(tài)調(diào)整,直至兩單元機器人夾角α小于設(shè)定閾值ΔT;(5)對主動機器人進行簡單重構(gòu)展開機體,兩單元機器人相向移動,重構(gòu)銷插入重構(gòu)孔;(6)重構(gòu)孔內(nèi)徑向鎖定銷彈出,將兩單元機器人連接鎖定,完成對接。5.2led圖像的預(yù)處理在對接過程中,許多因素如塵霧、光線等都會影響數(shù)字相機獲取圖像的質(zhì)量。為加強重構(gòu)孔的可見性,將4個紅色LED呈正方形放置于重構(gòu)孔四周(圖17(a)),進行對接時,LED上電發(fā)光。相機獲得的初始圖像經(jīng)ADSP-BF533處理后轉(zhuǎn)化為亮度和紅色的二值圖像,經(jīng)過異或處理并中值濾波后,便可獲得4個LED的清晰圖像(圖17(b))。然后將4個亮點投影到水平軸和垂直軸,獲得矩形的兩個邊長LH和LV(圖17(c))。由于初始設(shè)定機器人在同一水平地面上進行對接,因此LV為常值,而LH在兩模塊夾角α不同的情況下則長度隨之變化。通過比較LV和LH的大小對夾角大小進行對接條件判斷:當(dāng)兩者差值小于設(shè)定閾值時,認(rèn)為兩個單元機器人已經(jīng)對齊,滿足對接條件;反之,則需對單元機器人進行位姿調(diào)整,首先由主動機器人向左或向右隨機偏航一個角度,若差值變大,則向另一個方向偏航,逐漸進行角度調(diào)整,直至滿足α<ΔT。5.3視覺接頭對接任務(wù)之前的角度優(yōu)化根據(jù)前述自重構(gòu)策略,進行了兩個單元機器人基于嵌入式視覺的近距離對接實驗,如圖18所示。兩單元機器人中心線初始夾角為30°,對接過程耗時約15s。對接完成后,兩單元機器人順利重構(gòu)為蛇形。如5.1節(jié)設(shè)定的對接順序,視覺接管對接任務(wù)之前,兩單元機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)的單元機器人姿態(tài)調(diào)整結(jié)果。但是在另外的實驗中發(fā)現(xiàn),由于單元機器人在轉(zhuǎn)向過程中存在履帶滑轉(zhuǎn)和滑移現(xiàn)象,僅依靠驅(qū)動超聲傳感器的步進電機碼盤反饋與超聲傳感器自身的測量數(shù)據(jù),不足以獲得足夠精度的兩單元機器人間的相對位置夾角α。由于對接效率直接決定自重構(gòu)機器人的整體性能,為解決當(dāng)前機器人對接效率偏低的缺點,下一步工作將通過集成基于ME