一種開放式的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人*

劉策越，劉建功，劉 揚(yáng)

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

模塊化機(jī)器人是由一定數(shù)量的模塊所組成的形態(tài)多變的機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化機(jī)器人可以為進(jìn)化機(jī)器人技術(shù)帶來好處，因?yàn)槟K間可以重新配置以形成特定的幾何形態(tài)，使得仿真中得到的進(jìn)化后的機(jī)器人形態(tài)可以快速在實(shí)體機(jī)器人上進(jìn)行測試，從而提高進(jìn)化實(shí)驗(yàn)的效率[1]。

然而在目前現(xiàn)有的模塊化機(jī)器人平臺(tái)上[2-11]，其控制參數(shù)和形態(tài)參數(shù)的移植過程還很復(fù)雜。在控制參數(shù)移植方面，由于硬件設(shè)計(jì)的封閉性以及代碼函數(shù)庫的非標(biāo)準(zhǔn)性，提高了研究人員編程及調(diào)試的難度。相比于控制參數(shù)的移植，對(duì)形態(tài)參數(shù)的移植涉及到更多方面的工作。①生產(chǎn)制作方面：機(jī)器人機(jī)械部分的配件如外殼等，需要找廠家進(jìn)行開模定制，制作周期長且費(fèi)用昂貴；②設(shè)計(jì)方面：機(jī)械式的連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，自動(dòng)連接器的設(shè)計(jì)增加了模塊的能量消耗；③組裝方面：機(jī)器人零部件、傳感器、執(zhí)行器的組裝過程復(fù)雜且耗時(shí)。

因此，為減少模塊化機(jī)器人的控制和形態(tài)參數(shù)從仿真到現(xiàn)實(shí)移植的時(shí)間成本和耗材成本，本文提出一種新型的開放式的自重構(gòu)模塊化機(jī)器人EMERGE (Easy Modular Embodied Robot Generation)，取意為易于組建的模塊化機(jī)器人。首先對(duì)模塊的自由度及外形、連接機(jī)制、控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，然后基于移動(dòng)任務(wù)實(shí)驗(yàn)，將仿真中得到的進(jìn)化后的構(gòu)型和控制參數(shù)移植到實(shí)體機(jī)器人上進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明EMERGE模塊具有良好的可靠性和可移植性。

1 模塊自由度及外形設(shè)計(jì)分析

模塊的自由度是模塊的核心組成部分，它對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、機(jī)械設(shè)計(jì)安裝都會(huì)產(chǎn)生影響。例如，增加模塊的自由度數(shù)量，雖然可以增加模塊的運(yùn)動(dòng)靈活性和重構(gòu)性，但這也會(huì)使機(jī)械設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制變得更為復(fù)雜。為簡化模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只設(shè)計(jì)一個(gè)自由度，選取Dynamixel公司的AX-12A舵機(jī)及其附屬配件框架FP04-F2、舵機(jī)底座FP04-F3作為主體器件。在這種情況下，模塊的外形及連接面的數(shù)量的設(shè)計(jì)可分為5種類型，如圖1所示。

圖1 模塊的外形及連接面的數(shù)量分類示意圖

考慮到空間對(duì)稱性及模塊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，類型2與類型3顯然是不合適的。類型1具有兩個(gè)連接面，基于類型1可以組成鏈?zhǔn)交蛞苿?dòng)式的自重構(gòu)模塊化機(jī)器人，但是無法組成晶體式的構(gòu)型，這限制了模塊的適用范圍，所以不采取這種設(shè)計(jì)。而類型5與類型4相比，連接面的數(shù)量多了一個(gè)，這極大地增加了構(gòu)型解空間的規(guī)模，擴(kuò)展了所能裝配的機(jī)器人構(gòu)型的種類，從而為模塊化機(jī)器人解決既定的任務(wù)提供了更多的可參考的構(gòu)型方式。此外，類型5相比于類型4，模塊的封閉性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性更好。因此選擇類型5模塊作為設(shè)計(jì)原型。其外形類似于長方體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。連接面的數(shù)量為4個(gè)。其中的3個(gè)連接面與舵機(jī)的框架FP04-F2相連，第4個(gè)連接面與舵機(jī)的底座FP04-F3相連。構(gòu)型種類滿足自重構(gòu)的特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的任務(wù)組成鏈?zhǔn)交蚓w式的構(gòu)型方式。

2 模塊連接機(jī)制的設(shè)計(jì)分析

2.1 連接面的連接極性設(shè)計(jì)

連接面的連接極性涉及到不同連接面之間是否可以進(jìn)行連接，這對(duì)機(jī)器人的構(gòu)型方式及數(shù)量會(huì)產(chǎn)生影響。將EMERGE模塊的4個(gè)連接面依次命名為face 0，face 1，face 2，face 3。如圖2左側(cè)所示。其中，face 1至face 3是連接在框架上，face 0是連接在舵機(jī)底座上?；诳臻g對(duì)稱性原則以及簡單易用的設(shè)計(jì)理念，將face 0定義為陽型連接面，face 1至face 3定義為陰型連接面。不同極性的連接面可以相互連接，同極性的連接面不可相連。因此模塊總是使用face 0與其它模塊進(jìn)行連接。模塊的連接極性示意圖如圖2右側(cè)所示。

圖2 模塊連接面連接極性示意圖

此外，在這種連接面極性的設(shè)計(jì)下，模塊的構(gòu)型數(shù)量也足夠豐富，采用文獻(xiàn)[12]提出的基于有向樹的構(gòu)型計(jì)算方法，EMERGE模塊的構(gòu)型數(shù)量與模塊數(shù)量的關(guān)系如表1所示。

表1 模塊數(shù)量與構(gòu)型數(shù)量的關(guān)系

2.2 磁式連接設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)模塊間的快速簡單連接，為此設(shè)計(jì)了磁式的連接機(jī)制，如圖3所示。在每個(gè)連接面上安裝有4個(gè)材質(zhì)為NdFeB (neodymium, iron and boron)的圓形磁鐵，安裝磁鐵的圓孔設(shè)計(jì)有遞減斜坡，以便于使用萬能膠水加固安裝磁鐵。同一連接面磁鐵的極性都是相同的，磁鐵的磁力大小約為10.72N，直徑為12 mm。

圖3 磁式連接設(shè)計(jì)

face 0為陽型連接面，face 1, 2, 3為陰型連接面, 因此face 0面上的磁鐵的極性與其它三個(gè)連接面的磁鐵的極性是相反的。為了增強(qiáng)連接面對(duì)剪切力的抑制，在陽型連接面上設(shè)計(jì)有4個(gè)凸起的部分，相應(yīng)的，在陰型連接面上設(shè)計(jì)有4個(gè)凹陷的槽。然而，由于模塊化機(jī)器人的彎曲運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)超過模塊的連接面磁鐵的承載力，導(dǎo)致模塊斷開。通過模塊負(fù)載實(shí)驗(yàn)測試，測得模塊的連接面的最大承載力為0.85N·m?；诖攀降倪B接機(jī)制設(shè)計(jì)，相鄰模塊可在0.5s內(nèi)迅速的相連，且沒有能量消耗。

2.3 電氣連接機(jī)制設(shè)計(jì)

AX-12A舵機(jī)設(shè)計(jì)有電源和數(shù)據(jù)信號(hào)(+11.1V, GND and Data)，因此，模塊的電氣連接機(jī)制是基于舵機(jī)的電氣信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在這種機(jī)制下，模塊間的通信和電源信號(hào)可以通過連接面共享，因此僅需一根三芯電纜線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的供電和控制。

每個(gè)連接面下，分別安裝有PCB電路板，如圖4所示。在PCB板的對(duì)角線上，設(shè)計(jì)有4組對(duì)稱分布的焊盤，每組的焊盤數(shù)量是3個(gè)，分別對(duì)應(yīng)電源和數(shù)據(jù)信號(hào)(+11.1V, GND and Data)，且每組焊盤的電氣信號(hào)是相同的。在face 0面下所屬的PCB板的兩組焊盤上，分別焊接有3個(gè)彈簧觸點(diǎn)(Spring pin)，它們從face 0面的凸起部分對(duì)應(yīng)的3個(gè)圓孔穿過，可以與其它PCB板的焊盤接觸，以便傳遞電源和數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)然，也可以在4組焊盤上都焊接彈簧觸點(diǎn)，但至少需要焊接一組，否則不同模塊間不能共享電氣信號(hào)。陰型連接面下的PCB板的邊緣3個(gè)焊盤(電源和數(shù)據(jù)信號(hào))是焊接在一起的，在保證共享信號(hào)的同時(shí)，也可以加強(qiáng)鞏固模塊的機(jī)械連接。舵機(jī)分別通過三芯電纜與face 1、face 0面的PCB板的2.50mm-3p白色插座相連接，共享電源和通信信號(hào)。

圖4 PCB電路板

綜上所述，所研制的EMERGE模塊及完整的連接機(jī)制示意圖如圖5所示。模塊外形為長方體，模塊的尺寸是80mm×61mm×55mm，重量是194.1g，具有一個(gè)自由度，旋轉(zhuǎn)范圍是0°～180°。采用標(biāo)準(zhǔn)的Dynamixel舵機(jī)(AX-12A)及其附屬配件。設(shè)計(jì)有4個(gè)連接面，其中的三個(gè)面與軸桿相連，另一個(gè)面與舵機(jī)的底盤相連。每個(gè)連接面都是由3D打印機(jī)制作的，且在每個(gè)連接面的正下方安裝有一個(gè)PCB板，可以有效地實(shí)現(xiàn)所有連接面的電源和通信信號(hào)(+11.1V, GND and Data)的共享。

EMERGE模塊組裝、控制大部分采用標(biāo)準(zhǔn)化的器件，標(biāo)準(zhǔn)的器件的選用以及使用3D打印機(jī)制作非標(biāo)準(zhǔn)器件，可以加快EMERGE模塊的組裝過程，減少了組裝的時(shí)間成本和耗材成本。在所有器件都準(zhǔn)備好后，組裝一個(gè)模塊僅需十分鐘左右。此外，EMERGE模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)，完全開源。

圖5 EMERGE模塊及其連接機(jī)制示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于模塊的控制簡便、硬件開源的控制設(shè)計(jì)原則，采用集中式的方式控制模塊，通過在計(jì)算機(jī)的USB接口安裝一個(gè)接口設(shè)備USB2AX，用于接收USB端口的指令并將指令轉(zhuǎn)換為Dynamixel總線協(xié)議指令傳輸給舵機(jī)。所有掛載在Dynamixel協(xié)議下的舵機(jī)都有獨(dú)立的id地址，既可以控制每個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，也可以讀取舵機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置等參數(shù)信息。EMERGE控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

AX-12A舵機(jī)支持多種編程語言如Java、Python的API應(yīng)用函數(shù)庫，用戶只需調(diào)用相應(yīng)的封裝好的函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。在Git-hub等代碼管理控制平臺(tái)上，有許多支持多編程語言的開源的API函數(shù)庫資源，非常方便實(shí)用和進(jìn)行修改。EMERGE模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，完全開源。

圖6 EMERGE控制系統(tǒng)組成

4 進(jìn)化設(shè)計(jì)

為說明EMERGE模塊具有良好的可移植性和可靠性，首先在仿真環(huán)境中，對(duì)由EMERGE模塊所構(gòu)建的機(jī)器人的構(gòu)型和控制參數(shù)進(jìn)行進(jìn)化，然后將這兩種參數(shù)移植到實(shí)體機(jī)器人上進(jìn)行測試。

本文使用異構(gòu)模塊化機(jī)器人進(jìn)化設(shè)計(jì)器Edhmor系統(tǒng)[13]和V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform)仿真器[14]，尋找進(jìn)化后性能優(yōu)異的仿真機(jī)器人，將其作為實(shí)體機(jī)器人的對(duì)比依據(jù)。在本節(jié)中，將詳細(xì)描述進(jìn)化設(shè)計(jì)過程，包模塊的編碼方式、仿真模型的建立以及評(píng)估方式。

4.1 編碼方式

本文基于有向樹，采用直接編碼方式表示機(jī)器人個(gè)體，根節(jié)點(diǎn)是初始節(jié)點(diǎn)，之后的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連接，掛載在父節(jié)點(diǎn)之后。編碼示意圖如圖7所示。模塊化機(jī)器人個(gè)體的編碼信息儲(chǔ)存在一個(gè)一維數(shù)組Chromosome[5N-3]里，包括模塊種類、子節(jié)點(diǎn)數(shù)量、選取的父節(jié)點(diǎn)的連接面、模塊方位、以及相位控制參數(shù)。

圖7 EMERGE編碼方式

4.2 仿真模型

機(jī)器人的構(gòu)建和評(píng)估是在仿真環(huán)境V-REP中進(jìn)行的，根據(jù)EMERGE的基本物理特征，建立其仿真模型，如圖8所示。采用正弦函數(shù)作為模塊的控制函數(shù)。見公式(1)：

(1)

i表示第i個(gè)模塊，yi是執(zhí)行器的角度，t表示仿真時(shí)間，φi是相位。設(shè)定相位是進(jìn)化過程唯一改變的控制參數(shù)。

圖8 EMERGE在V-REP中的仿真模型

4.3 評(píng)估方式

本文的進(jìn)化目標(biāo)是：在一定時(shí)間內(nèi)找到移動(dòng)距離最遠(yuǎn)且模塊使用數(shù)量較少的模塊化機(jī)器人。定義的適應(yīng)度函數(shù)為模塊化機(jī)器人在平面上移動(dòng)的歐式距離，單位是m，公式(2)：

(2)

xm1,ym1和xm2,ym2分別表示模塊化機(jī)器人的質(zhì)心在仿真開始時(shí)的初始位置和仿真結(jié)束時(shí)的最終位置，它的計(jì)算方式見公式(3)：

(3)

n表示模塊的數(shù)量，mi表示第i個(gè)模塊質(zhì)量，xi,yi是第i個(gè)模塊的坐標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 測試內(nèi)容

對(duì)于EMERGE模塊，從以下3個(gè)方面，對(duì)三種不同的由EMERGE模塊所構(gòu)建的機(jī)器人，測試了它們的可移植性和可靠性：①對(duì)三種模塊化機(jī)器人構(gòu)型的移植測試；②對(duì)三種機(jī)器人的控制參數(shù)的移植測試；③對(duì)三種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能的測試。

在引言中指出，可移植性指的是仿真進(jìn)化后的模塊化機(jī)器人移植到實(shí)體機(jī)器人的能力。因此，首先基于平面的移動(dòng)任務(wù)，在仿真環(huán)境中對(duì)由EMERGE模塊組建的機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)化，然后根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值，選取3個(gè)在各自構(gòu)型下移動(dòng)距離最遠(yuǎn)的機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。進(jìn)化的配置參數(shù)為：種群數(shù)量24，評(píng)估時(shí)間30s，評(píng)估次數(shù)20000，模塊的最大數(shù)量限制為9。

5.2 構(gòu)形參數(shù)移植測試

如圖9左側(cè)所示，即為仿真中進(jìn)化后得到的3個(gè)在各自構(gòu)型下移動(dòng)距離最遠(yuǎn)的機(jī)器人。然后基于實(shí)體EMERGE模塊分別構(gòu)建了它們的構(gòu)型，如9圖右側(cè)所示。經(jīng)測試，每一種構(gòu)型的機(jī)器人在10s內(nèi)就可快速完成構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表2中的組裝耗時(shí)所示。構(gòu)型移植實(shí)驗(yàn)表明，EMERGE系統(tǒng)連接機(jī)構(gòu)連接迅速、可靠，具有快速測試不同形態(tài)機(jī)器人的能力，有效地簡化了模塊化機(jī)器人構(gòu)型移植的過程。

圖9 機(jī)器人的構(gòu)型移植實(shí)驗(yàn)

5.3 控制參數(shù)移植及運(yùn)動(dòng)性能測試

在構(gòu)型移植后，分別把三個(gè)機(jī)器人的進(jìn)化后的控制參數(shù)(相位)移植到實(shí)體機(jī)器人上，在相同的仿真時(shí)間(30s)內(nèi)執(zhí)行移動(dòng)任務(wù)，測試其運(yùn)動(dòng)性能。在地面上放置了一米長的標(biāo)尺作為參照。

首先基于Python語言，依次將進(jìn)化后的控制參數(shù)寫入到舵機(jī)提供的的API函數(shù)中，完成程序的編寫。然后將USB2AX接口的一端與PC機(jī)連接，另一端通過三芯電纜線與機(jī)器人的任意一個(gè)模塊連接，最后供電運(yùn)行，依次對(duì)三種機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能測試。仿真與現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)錄像截圖如圖10所示。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示。

圖10 仿真與現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)表明，EMERGE模塊機(jī)械、電氣和通訊系統(tǒng)正確，在多種不同機(jī)器人形態(tài)下運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定、可靠。此外，仿真的移動(dòng)距離與實(shí)際的移動(dòng)距離接近，表明控制參數(shù)移植性能良好，有效地簡化了模塊化機(jī)器人控制參數(shù)的移植過程。

表2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了一種新型的開放式的模塊化機(jī)器人EMERGE，模塊結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)有4個(gè)連接面，具有一個(gè)自由度，外形為長方體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)了一種磁式的連接機(jī)制，可快速、可靠的進(jìn)行連接，具有快速測試不同機(jī)器人形態(tài)的能力，且無能量消耗。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化的器件進(jìn)行組裝可以減少時(shí)間成本，采用3D打印機(jī)制作非標(biāo)準(zhǔn)化器件，可以有效降低制作成本。此外，開源的硬件架構(gòu)使得模塊的控制系統(tǒng)簡單易用。最后通過移動(dòng)任務(wù)實(shí)驗(yàn)證明EMERGE機(jī)器人的機(jī)械和電氣系統(tǒng)工作穩(wěn)定，表明EMERGE系統(tǒng)具有良好的可移植性和可靠性，為測試不同形態(tài)的模塊化機(jī)器人提供了研究基礎(chǔ)。

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