空間探測自組裝群體模塊化機(jī)器人

魏洪興 李海源

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

1 引言

空間探測已成為航天領(lǐng)域未來發(fā)展的一個重點(diǎn)。由于探測地點(diǎn)并不局限于探測器的著陸點(diǎn)，因此需要建造能夠到達(dá)相應(yīng)目的地的移動探測機(jī)器人。星球表面地形復(fù)雜，氣候條件惡劣，非結(jié)構(gòu)化等不確定因素多，要求探測機(jī)器人具有良好的運(yùn)動性能和環(huán)境自適應(yīng)能力。同時，空間探測是一種風(fēng)險(xiǎn)性極強(qiáng)、可靠性要求極高的科研活動，而單個探測車作業(yè)系統(tǒng)在探測中存在極大風(fēng)險(xiǎn)，因此，汲取自重構(gòu)機(jī)器人和群體機(jī)器人技術(shù)，將其應(yīng)用到空間探測機(jī)器人上，變革探測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動和控制方式，提升作業(yè)能力，使其適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，是當(dāng)前空間探測機(jī)器人研究的一個重要方向。

根據(jù)探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)劃分，空間探測機(jī)器人主要包括輪式、多足、混合式和其他形式幾種類型。在目前的空間探測中，大部分移動機(jī)器人采用輪式移動機(jī)構(gòu)，如Gyrover[1]、RATLER[2]和Nomad[3]。中國在2000年漢諾威博覽會上也曾展示了航天員與輪式探測車在月球表面的場景[4]。多足步行探測機(jī)器人具有很強(qiáng)的地貌適應(yīng)性，非常適合在凸凹交錯的巖石或土質(zhì)松軟的表面運(yùn)動，機(jī)動性較好。另外，也有將輪式結(jié)構(gòu)引入到多足，形成混合式探測機(jī)器人。這種探測機(jī)器人具備一定的越障、避障能力，如Go-For[5]和Chariot-2[6]。其他形式的移動機(jī)構(gòu)還包括：履帶式，如俄羅斯的Track 行星漫游者；跳躍式，如Hopper機(jī)器人[7]。以上這些機(jī)器人多是通過提高機(jī)器人本身的可靠性、魯棒性等性能來增強(qiáng)其適應(yīng)能力和執(zhí)行能力。但由于探測過程的復(fù)雜性，可能需要多點(diǎn)同時進(jìn)行探測，以提高效率，因此，多機(jī)器人探測成為空間探測的發(fā)展方向之一。同時，可引進(jìn)群體機(jī)器人和自重構(gòu)等方法來提高系統(tǒng)的魯棒性，降低空間探測的風(fēng)險(xiǎn)。群體機(jī)器人系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)、合作，可以完成單個機(jī)器人難以完成的工作。在沒有人參與的情況下，它們自動組合成一種新的形態(tài)或結(jié)構(gòu)，具有輪式或多足等結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)。典 型 的 群 體 機(jī) 器 人，如Alice[8]、e-Puck[9]、Jasmine[10]、Kobot[11]和Swarm-bot[12]，都具有移動能力和一定的外界感知能力。對于自重構(gòu)機(jī)器人，如PolyBot[13]，CONRO[14]，CKbot[15]，ATRON[16]和M-TRAN[17]，多不具有移動能力，而是依靠模塊間的相互運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)重構(gòu)和組裝。Millibot[18]是兼具有群體機(jī)器人和自重構(gòu)機(jī)器人特點(diǎn)的典型機(jī)器人，其每個模塊具有移動能力，同時又能與其他機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對接，但由于結(jié)構(gòu)上的限制，對接后的整體運(yùn)動能力受到一定的約束。

2 Sambot總體方案

2.1 總體介紹

Sambot機(jī)器人模塊是一個完全自主的移動機(jī)器人，同時它還可以與其他Sambot互相連接，成為線性自重構(gòu)機(jī)器人，并通過Sambot提供的運(yùn)動自主度實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)機(jī)器人的整體運(yùn)動。

2.1.1 結(jié)構(gòu)

Sambot的設(shè)計(jì)采用了嵌入式機(jī)電集成設(shè)計(jì)方法，在機(jī)器人內(nèi)部集成了全部的驅(qū)動、控制、感知、通信和電源單元，其設(shè)計(jì)參數(shù)和性能如表1所示。

表1 Sambot模塊參數(shù)Table1 Parameters of Sambot module

如圖1所示，Sambot結(jié)構(gòu)分為兩部分：上面的主動對接面板與下面的自主移動本體。主動對接面板上有1 對主動對接卡扣，能夠與其他Sambot本體上的前、后、左、右共4個被動對接面上的對接卡槽進(jìn)行對接，主動對接卡扣與對接卡槽允許2個Sambot機(jī)器人在一定偏差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主對接及鎖緊。同時，主動對接面板還可以圍繞本體的中心軸實(shí)現(xiàn)±150°范圍的轉(zhuǎn)動；當(dāng)對接時，主動對接面板向前（或向后）旋轉(zhuǎn)90°，使主動對接面板與其他Sambot的被動對接面進(jìn)行對接；對接完成后，該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，用于實(shí)現(xiàn)多個Sambot對接后的整體運(yùn)動。自主移動本體的底部有兩個對稱的驅(qū)動輪（圖1中未示出），通過差分驅(qū)動Sambot來實(shí)現(xiàn)自主移動。Sambot安裝了多個紅外傳感器，用于探測障礙物及實(shí)現(xiàn)對接導(dǎo)引。

圖1 Sambot機(jī)器人Fig.1 Sambot robot

2.1.2 控制系統(tǒng)

Sambot的控制系統(tǒng)（見圖2），由1個32 位的ARM 處理器STM32F103CB和4個8位的單片機(jī)ATMega8組成，ARM 與單片機(jī)之間采用I2C 總線通信。其中：ARM 處理器主要完成機(jī)器人的控制、導(dǎo)航定位及規(guī)劃決策任務(wù)；4個單片機(jī)ATMega8主要完成電機(jī)驅(qū)動、編碼器與紅外傳感器信息采集任務(wù)。除紅外傳感器外，Sambot還安裝了陀螺儀和加速度計(jì)，用于給出機(jī)器人的姿態(tài)和速度信息。

Sambot采用了兩種通信方式：ZigBee全局無線通信與CAN 總線通信。其中：ZigBee采用TI公司的CC2430芯片，用于實(shí)現(xiàn)多個Sambot之間的全局無線通信。當(dāng)多個Sambot通過自組裝構(gòu)成新的集合體機(jī)器人后，通過主動對接面板與被動對接面上的電氣觸點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)多個Sambot之間的分布式CAN總線通信。連接在一起的機(jī)器人，可以通過CAN 總線獲取控制信息或者其他機(jī)器人的狀態(tài)信息，做出相應(yīng)的動作，如控制集合體機(jī)器人的整體運(yùn)動與重構(gòu)。

圖2 Sambot機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system of Sambot module

2.1.3 工作方式

在空間探測過程中，群體機(jī)器人面臨的任務(wù)有：環(huán)境探測、地圖構(gòu)建、地表清障和協(xié)作搬運(yùn)等。本文提出的具有自組裝功能的群體機(jī)器人，兼具了自組裝和自重構(gòu)的特點(diǎn)。每個Sambot模塊都是一個完全自主的移動機(jī)器人，同時它還可以與其他Sambot互相連接，成為線性自重構(gòu)機(jī)器人，并通過Sambot提供的運(yùn)動自主度，實(shí)現(xiàn)線性自重構(gòu)機(jī)器人的整體運(yùn)動。當(dāng)由Sambot組成的機(jī)器人平臺被運(yùn)送到星球上之后，平臺（如圖3（a）所示）行走至探測點(diǎn)，將基站放下，然后各個機(jī)器人分散開來到達(dá)各個探測點(diǎn)，并行執(zhí)行探測任務(wù)，比如繪制地形圖或溫度、濕度線等。當(dāng)其電量消耗較多時，可返回基站充足電量。同時，基站可以匯總各個機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一處理。在探測過程中，遇到單個機(jī)器人難以逾越的溝壑或障礙物時，通過協(xié)作和自組裝指令，按照任務(wù)規(guī)劃，附近的一群單個機(jī)器人組裝在一起，形成具有越障或行走能力較強(qiáng)的構(gòu)型（如蛇形或者多足結(jié)構(gòu)）繼續(xù)前行。到達(dá)另一點(diǎn)后再分散開來執(zhí)行任務(wù)。其構(gòu)想如圖3（b）所示。除了環(huán)境適應(yīng)能力得到提高，模塊化的設(shè)計(jì)使得每個機(jī)器人完全相同，一旦某個機(jī)器人損壞，后續(xù)的備用模塊便可替代其完成工作，即具備自修復(fù)的能力。

圖3 群體機(jī)器人結(jié)構(gòu)重組以自適應(yīng)地形Fig.3 Swarm robots’reconfiguration to adapt to terrain

2.2 自主對接

如圖4所示，Sambot之間的自主對接可分為探測、導(dǎo)引、接近、鎖緊4個階段。在對接開始時，一個Sambot機(jī)器人（稱為主動Sambot）通過安裝在本體前、后兩個面上方的探測紅外傳感器，檢測周圍是否有其他Sambot存在，一旦檢測到存在（稱為被動Sambot），主動Sambot將主動對接面板旋轉(zhuǎn)到被動Sambot的一側(cè)，同時打開主動對接面板下面的對接紅外傳感器，此時該對接紅外傳感器可以接收到被動Sambot下面接近紅外傳感器發(fā)出的信號；隨后，主動Sambot在2對對接紅外傳感器的導(dǎo)引下向被動Sambot 接近，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定距離時，位于主動Sambot對接面板上的機(jī)械對接接觸開關(guān)被壓下，此時觸發(fā)主動對接卡扣做鎖緊動作，嵌入到被動Sambot的對接卡槽中，實(shí)現(xiàn)與被動Sambot的對接。Sambot之間的自主對接是實(shí)現(xiàn)多個Sambot自組裝的基礎(chǔ)。

由于星球表面地形復(fù)雜，地面往往崎嶇不平，難以保證機(jī)器人對接時處于正對位置，因此必須在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)，以允許機(jī)器人在一定誤差下實(shí)現(xiàn)對接。對對接卡扣和卡槽的表面進(jìn)行修正，使兩者各具有一定的斜面，這樣多個機(jī)器人在沒有對齊的情況下仍能完成對接。圖5所示主動對接機(jī)器人由于地面的不平整，姿態(tài)發(fā)生改變，未能與被動對接機(jī)器人對齊，但其位姿在誤差允許范圍內(nèi)，仍然可以實(shí)現(xiàn)對接。分析6種情況下機(jī)器人允許的對接誤差，根據(jù)圖5所示，將允許的最大位置偏量和角度旋轉(zhuǎn)偏量列于表2。

圖5 存在對接誤差狀態(tài)示意圖Fig.5 Diagrams of docking error conditions

表2 對接時允許的最大誤差值Table2 Permission maximum errors when docking

2.3 構(gòu)型方案和自組裝分析

自組裝群體機(jī)器人最主要的特征，就是能夠根據(jù)作業(yè)環(huán)境變化和任務(wù)要求，自主地改變機(jī)器人形狀。多個Sambot最初隨機(jī)分布在一個作業(yè)環(huán)境中，當(dāng)遇到單個機(jī)器人不能克服的障礙時，多個Sambot能根據(jù)作業(yè)環(huán)境的不同，如跨越深溝，可以構(gòu)成蛇型構(gòu)型，如適應(yīng)崎嶇路面，則需要構(gòu)成四足或多足構(gòu)型；再通過集合體機(jī)器人的整體運(yùn)動，達(dá)到克服障礙的目的。與現(xiàn)有的自重構(gòu)機(jī)器人依靠手工構(gòu)建或依賴特殊環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)建不同，Sambot可以實(shí)現(xiàn)給定目標(biāo)構(gòu)型機(jī)器人的完全自主構(gòu)建。對Sambot可能構(gòu)建的多種運(yùn)動構(gòu)型進(jìn)行分析，將構(gòu)型抽象成一種易于表達(dá)的連接關(guān)系，以建立Sambot的運(yùn)動構(gòu)型庫，用于自組裝控制。用3D 軟件建立了由多個Sambot組成的集合體機(jī)器人構(gòu)型模型，按照機(jī)器人關(guān)節(jié)的分布關(guān)系，將構(gòu)型分為線性構(gòu)型和多足構(gòu)型兩種。

1）線性構(gòu)型

線性構(gòu)型的連接較為簡單，由多個Sambot通過前后串行聯(lián)接組成，包括蛇形與環(huán)形兩種，分別如圖6（a）、6（b）所示。

圖6 線性構(gòu)型Fig.6 Linear configuration

2）多足構(gòu)型

圖7（a）給出了由9個Sambot模塊組成的三足構(gòu)型，可以通過3條腿的的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動；圖7（b）給出了由15個Sambot模塊組成的四足構(gòu)型，類似于哺乳動物的四足機(jī)器人，3個模塊作為連接的“脊柱”，每個腿部由3個模塊組成。機(jī)器人通過腿部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)行走，腳部的關(guān)節(jié)可使機(jī)器人與地面的接觸為面接觸，增加穩(wěn)定性。圖7（c）給出了一種由13個Sambot模塊組成的十字交叉四足機(jī)器人，中心的一個模塊作為機(jī)器人中心，有4條腿分別與中心模塊相連，通過4條腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位移動。圖7（d）、7（e）給出了由更多Sambot模塊組成的多足機(jī)器人構(gòu)型。

圖7 多足構(gòu)型Fig.7 Multi-legged configurations

3 仿真與驗(yàn)證

首先，利用Microsoft Robotic Studio（MSRS）建立仿真平臺，搭建Sambot機(jī)器人系統(tǒng)模型。利用MSRS驗(yàn)證提出的各種對接和自組裝算法，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。然后，在實(shí)際平臺上執(zhí)行自組裝試驗(yàn)，以驗(yàn)證傳感器的功能、算法的效率及可靠性，分別演示了5個Sambot進(jìn)行自組裝達(dá)到蛇形構(gòu)型和四足構(gòu)型的過程，同時還給出蛇形構(gòu)型的整體運(yùn)動過程。

3.1 自組裝過程仿真

在MSRS仿真環(huán)境中，按照現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人參數(shù)和物理環(huán)境，搭建了自組裝群體機(jī)器人仿真平臺，在平臺上可以驗(yàn)證自組裝算法，并且可以根據(jù)仿真效果動態(tài)優(yōu)化控制參數(shù)。圖8（a）演示了5個Sambot模塊組裝成蛇形構(gòu)型的過程，紅色的光線表示紅外傳感器正在實(shí)時探測。圖8（b）演示了同樣的5個Sambot模塊組裝成四足構(gòu)型的過程。

圖8 5個Sambot模塊組裝構(gòu)型仿真Fig.8 Simulation of construction of five Sambot modules

3.2 自組裝試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果和控制算法，采用5個Sambot機(jī)器人，在1 000mm×1 000mm 的平臺上進(jìn)行了蛇形構(gòu)型和十字交叉四足構(gòu)型的自組裝試驗(yàn)。圖9（a）演示了5個Sambot模塊自組裝成蛇形構(gòu)型的過程，圖上的黑色箭頭表示對接方向。圖9（b）演示了自組裝而成的蛇形構(gòu)型的運(yùn)動情況，顯然其具有類似蠕動的步態(tài)。

圖10演示了5個Sambot模塊自組裝成十字交叉四足構(gòu)型的過程，除每次自組裝過程中新添加機(jī)器人是手工加入到平臺外，整個自組裝過程都是自主進(jìn)行的。包括手工加入新機(jī)器人的時間，整個四足構(gòu)型的自組裝共耗時4min50s。

圖9 自組裝試驗(yàn)Fig.9 Experiments of self-assembly

圖10 四足構(gòu)型的自組裝序列Fig.10 Self-assembly suquence of four-legged configuration

4 結(jié)束語

地外星球的地理環(huán)境十分特殊，并且有些是難以預(yù)知的，加上探測成本的高昂和極具挑戰(zhàn)性，因此，引入群體機(jī)器人和自組裝機(jī)器人的概念是一個可行的解決方法。本文提出一種自組裝群體模塊化機(jī)器人，融合了群體機(jī)器人和自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的適應(yīng)性。在文中基于空間探測的構(gòu)想，利用嵌入式集成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的模塊Sambot，對其可能組成的構(gòu)型進(jìn)行模型分析和驗(yàn)證，并分別在仿真平臺和現(xiàn)有的實(shí)際平臺上進(jìn)行了驗(yàn)證。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，Sambot具有顯著的可行性和多樣性。在后續(xù)的研究中，還主要開展以下幾方面的工作。首先，研究多個Sambot自組裝和自重構(gòu)算法；其次，研究適應(yīng)多種構(gòu)型的運(yùn)動控制方法；最后，實(shí)現(xiàn)從給定構(gòu)型自動構(gòu)建、構(gòu)型整體運(yùn)動到任意構(gòu)型間重構(gòu)的自主控制，為進(jìn)一步研究適應(yīng)復(fù)雜星球地形的控制、形狀與功能可同時進(jìn)化的機(jī)器人系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

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