针对多功能模块化智能机器人的科学研究

贺文

摘 要：机器人作为典型的自动化智能产品，在近几年备受关注。针对不同的应用环境，不同种类的机器人得到研发并被投入到复杂或危险的工作任务中去。为打破通用性和成本等因素的制约，进一步提高环境适应性和任务执行力，一种新型的多功能模块化智能机器人得到了国内外很多研发团队的青睐。本文将立足于该现状，针对多功能模块化智能机器人展开科学研究。

关键词：多功能；模块化；机器人；结构组成；技术特点

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0032-01

近年來，机器人技术的发展使得各类机器人广泛应用于军事、工业、医疗、教育以及服务等领域。机器人在理论上可定义为一种可编程的多功能柔性设备，通过基于不同算法的编程来满足不同工作任务的需求。但传统的机器人基本上都是根据特定的任务来开发的，具有固定的结构和功能，并受到了通用性和成本等因素的制约，其使用的工作环境也在一定程度上受限，这些因素大大阻碍了其在应用领域的推广[1]。为解决这些问题，打破传统机器人的条件限制，一种模块化的创新性设计方法应运而生。本文将立足于这种新型机器人设计思路，对基于单片机的多功能模块化智能机器人展开研究。

1 多功能模块化智能机器人的研发现状

多功能模块化智能机器人由多个模块结构组成，可以自主改变自身结构，同时每个模块又具备不同的功能特性，既可以适应周围环境，又可以执行复杂环境下的特定工作任务[2]。该种机器人的高度环境适应性和高性能的任务执行力，使其非常适合应用于搜救工作或者是空间探测等高度不可预知的复杂环境中。近年来，多功能模块化智能机器人的研发也得到了国内外的重视。

在国外，有很多科研机构开展了对该新型机器人的研究，如日本的名古屋大学，东京工业大学，美国的南加州大学，卡内基梅隆大学，以及日本产业技术综合研究所（AIST）等等。最为典型的多功能模块化智能机器人当属日本产业技术综合研究所研发的模块变形者“M-TRAN”，目前已经开发出多代衍生产品。M-TRAN由不同功能的模块组成，而每个模块同时又具备自己的执行机构，即电机作动器，这使得每个模块都具备自主运动的能力。M-TRAN可以自己变形，并建立了模块之间的通信，可以像蛇一样通过狭小空间，而且能够跨越障碍。同时，该机器人具备自主结构变形和自修理功能，大大提高了工作的容错性。即使其中有模块出现故障，其他部分也可以完成更换受损模块或者重新变形重组，来解决问题并保持自身功能，从而保障了工作的正常进行。

2 工作原理和方案设想

多功能模块化智能机器人平台采用了模块化的设计思路，整体由一套尺寸不同、性能特征各异的模块组成。模块化思想的核心就在于通过不同的模块，快速装配出最适用于完成给定任务的智能机器人[3]。相比于传统机器人，模块化机器人具有的柔性更高，容错能力更强，并且还具有一定的自修复能力，不同模块对环境和任务的高适应性也大大降低了其制造成本。

为了实现机器人模块化设计，必须将机器人每一部分的功能（动力、视觉、听觉、嗅觉、触觉等）分别存放在一个单独的模块中，通过这些模块之间的连接、拼装构成一个相互协调、目的统一的机器人整体。为了实现更高的智能化，在每一个模块中加入能够区别于其他模块的信息，行为模块在分析完外来的语音命令后，通过扫描其它部分的特有信息，根据已有程序自行设计行走路线、实现自行拼装。机器人系统及每个系统包含的模块大致分类如下：

（1）能源系统：电源模块、太阳能充电模块为整个机器人提供能量来源。（2）行动系统：电机及驱动器模块，实现机器人的运动。（3）人机交互系统：扬声器模块、录音器模块实现与机器人的语音交互，从而实现语音控制；LED屏显示模块显示机器人采集的参数；无线连接模块，通过蓝牙将机器人采集到的信息传送到电脑；通过设计模块化平台软件来实现对机器人的远程控制。（4）信息采集系统：位移传感器模块，采集位移、速度、加速度等信息；温度传感器模块，感知外界温度，躲避高温低温物体；图像采集模块，采集外界图像信息等。该系统根据需要选用不同的传感器采集不同的信息。（5）调节系统：采用变阻器等设备实现电机速度、驱动力、光线强度等信号量的变化。（6）结构连接系统：一些没有特定功能，主要用于结构连接的模块，目的是实现整体结构的协调性。（7）通信系统：通过CAN总线来实现不同模块之间的数据通信。（8）软件系统：主要采用相关算法（如D-H算法）实现机器人的正运动学和逆运动学运算，从而可进行运动规划和轨迹规划，实现对机器人运动的控制[4]。同时，应建立不同模块与上位机之间的控制映射，保证指令的正常传递。

3 多功能模块化机器人的创新点

多功能模块化机器人突破了机器人的常规结构和功能。与传统的机器人不同，多功能模块化智能机器人是将固定的结构变成一个一个具有特定功能的正方体模块。正方体外形的选择原因来源于积木原理，目的是为了便于在各个方向上进行拼接。每一个正方体模块都具有不同的功能，比如有移动模块、光线传感器模块等等，通过对各个模块不同的拼接组合，可以实现不同的功能的组合，从而达到适应不同环境和执行复杂任务的目的。

当然，本文中所设计的多功能模块化机器人平台尚处于初步发展阶段，可能存在以下几点缺陷：设计出的模块类型尚不丰富，存在很大的扩充空间；模块体型较大，若把模块进行体积的缩减，电路的集成，模块价格可能会上升；主动模块执行机构的输出力矩小，应为每一个模块建立执行机构，提高机器人的整体性能。这些地方将在未来的研发中逐步改进。

4 结语

现在的简易机器人一般是根据某个特定目的开发的，所以结构和功能相对固定，同时为了实现多种功能，需要制作许多类机器人。而通过功能模块化，正方体的结构设计灵活多变，从而功能可以相互组合，解决了实现多种功能需要多类机器人的问题，同时也提高了机器人的容错性。面对空间探测和抗震救灾等复杂的工作环境，多功能模块化机器人具备巨大的性能优势，因此，该机器人拥有很好的发展前景和科研价值，值得我们进一步研究。

参考文献

[1]周雪峰，江励，朱海飞，蔡传武，管贻生，张宪民.一个模块化机器人平台的设计[J].华南理工大学学报 （自然科学版），2011，39（4）：50-55.

[2]龙斌，毛立民，孙志宏，陈革.国外自主变结构模块机器人发展现状[J].机械设计，2005， 22（5）：1-4.

[3]刘明尧，谈大龙，李斌.可重构模块化机器人现状和发展[J].机器人，2001， 23（3）：275-279.

[4]陈桂，王建红，汤玉东.KUKA机器人运动学仿真与实验研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014（8）：94-97.