一种适配多模态的探测机器人机构设计

李勐　刘弋锋　湛月　袁柳

摘要：提出一种能够适配多种机动和感知模块的多模态探测机器人机构，通过适用性强的快速机械和电气接口，使机器人能够在陆地、涉水等模态之间进行转换，并可以不断开发新型模块，满足不同场景的任务需要。机器人实物实验证实了所提出方法的合理性和有效性。

关键词：机器人;多模态;机构设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0169-02

探测机器人是于公共安全、防灾救灾、科学考察、环保监察等领域的自动化的机电设备，能够人力完成远程的监测探查、信息获取任务。然而传统的探测机器人体积较大、功能单一、可扩展性差，无法应对多变的环境场景[1-3]。针对这一问题，本文提出一种能够适用于陆地、涉水等多种情形的探测机器人机构设计，由中央模块、机动模块和传感器模块构成，通过磁力快速机械和电气接口进行组合，具备稳定、灵活、高效、可扩展性强的特点，能够通过开发新型的机动模块和传感器模块，实现不断适应各类任务环境的目标。

1 模块化的机器人整体结构和接口

探测机器人在陆地模态下的典型整体外观近乎球形，如图1所示。球形有助于通过抛投等方式对机器人位置进行部署，在本样机中球体直径为140mm。机器人主体由1个中央模块、2个镜面对称的机动模块、1个传感器模块组成。中央模块为圆柱体，机动模块为半球体。

中央模块顶部为传感器模块接口，为尽可能多地适配传感器，接口采用USB形式。中央模块的两个侧面为机动模块接口，包含机械连接和电气连接两部分。机械连接部分（单侧）使用4只高强度钕铁硼磁铁提供吸力，并通过定位销确保相对位置准确性，电气连接部分采用7位金属触点阵列，实现逻辑供电、动力供电以及信号传输。无连接线的接口设计非常便于模块的快速更换，可实现带电热插拔。机动模块接口的详细设计如图1所示。

2 中央模块和传感器模块

如图2所示，中央模块中包含机器人的内置电池电源、处理电路、电源转换模块、通信模块和固定于机身正前方的高清摄像头，其主要功能是为机器人供电和提供计算能力。

中央模块内的嵌入式计算采用ARM系统，选用体积小、性能强的树莓派BCM-2837板卡，运行Ubuntu操作系统。为使机器人具备实时图像处理能力，使用英特尔Movidius神经计算棒提供0.1 TFLOPS的计算性能。机器人正前方的高清摄像头分辨率为2592×1944。传感器接口可以连接全景镜头、红外传感器、麦克风、温湿度传感器等，在本样机中，使用分辨率为2592×1944、水平视场角为185°的全景镜头，使机器人的视野不局限于正前方。

3 适配多模态的机动模块

左右机动模块采用对称设计，能够任意互换。模块内包含了电机、码盘等元件。为增加机动模块内部空间，陆地运动模块和涉水运动模块均采用薄壳轮式结构，薄壳与半球体通过电机轴连接，利用双轮差动运动实现机器人的前进、转弯、旋转。薄壳结构容易发生形变，因此在薄壳内部设计了加强筋，底部设计了支撑轴承。未来，还可设计采用同样快速接口的飞行模块，扩展机器人模态，如图3所示。

4 实验和结论

设计完成后，使用高精度3D打印方式制作探测机器人的原理样机外壳、使用加工中心完成配重块等结构件加工，并在粗糙地面上进行运动性能测试。原理样机总质量小于1kg，直线运动最大速度为0.3m/s。能够实现平面运动、图像无线传输、等功能，满足样机设计要求，样机实物如图4所示。

下一步，将在样机上进行基于全景相机的实时多目标检测，并进一步优化机器人机构设计，考虑机体密封性并进行涉水运动实验。

综上所述，本文提出一种能够适配多种机动和感知模块的多模态球形探测机器人机构，由中央模块、机动模块和传感器模块组成，通过特殊设计的基于磁力连接固定的机械和电气接口实现机动模块的快速无线连接。原理樣机的运动实验验证了所提出机构的可行性和有效性，该机构为小型化、模块化的探测机器人设计提供了新的思路和方法。

参考文献

[1] 宛月，杨理践，井涛.一种两轮驱动的球形机器人[J].自动化应用，2017（10）：67-69.

[2] 贺晨煜，汪浩，陈巍，等.两栖球形机器人控制系统研究[J].信息与电脑，2018，406（12）：85-88.

[3] 杨维，殷希梅，张运兵，等.一种微小型单兵侦察球系统的设计[J].电子设计工程，2013（19）：86-89.