摘  要： 介紹了一種新型的可重構(gòu)模塊化機(jī)器人(多變魔方機(jī)器人)，它同時(shí)擁有自重構(gòu)、自組裝和群體機(jī)器人的特點(diǎn)。多變魔方機(jī)器人的每個(gè)模塊都可以自主移動(dòng)并與其他模塊自組裝成魔方結(jié)構(gòu)，還可以被配置成各種不同形態(tài)，實(shí)現(xiàn)變形。多變魔方機(jī)器人選用控制功能強(qiáng)大的ARM芯片和高可靠的ATmega8單片機(jī)，應(yīng)用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)建了模塊化分布式控制系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。本文詳細(xì)描述了多變魔方機(jī)器人模塊的硬件結(jié)構(gòu)，軟件體系以及系統(tǒng)的工作原理。
關(guān)鍵詞： 可重構(gòu)；模塊化機(jī)器人；自組裝；分布式控制系統(tǒng)；ZigBee

　在航天航空、星際探索、地質(zhì)勘查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、軍事偵察、救災(zāi)搶險(xiǎn)等領(lǐng)域，因?yàn)椴荒茴A(yù)先確知非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，需要執(zhí)行的任務(wù)往往也是變化莫測[1]。因此傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)和控制方法已經(jīng)難以滿足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)的、未知的環(huán)境下自主工作的要求[2]。模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的拓?fù)湫螒B(tài)是自主可變的，系統(tǒng)可以根據(jù)所處的環(huán)境通過組成模塊之間的自主對(duì)接和分離實(shí)現(xiàn)整體或局部形態(tài)的改變，來調(diào)整其構(gòu)形和功能，從而完成既定的任務(wù)，故能廣泛應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境。這樣就對(duì)其控制系統(tǒng)提出了人工智能的更高要求，這也是當(dāng)今機(jī)器人研究界最熱門和尖端的研究方向之一。
　本文提出一種可重構(gòu)模塊化機(jī)器人——多變魔方機(jī)器人，并完成其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)感知、通信、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和信息處理的融合，根據(jù)多智能體機(jī)器人系統(tǒng)的相應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略完成多種形態(tài)的變化和自組裝。
1 多變魔方機(jī)器人的控制系統(tǒng)
　多變魔方機(jī)器人由n×n×n個(gè)相同的小模塊機(jī)器人組成，如圖1(a)所示為多變魔方機(jī)器人的最小組合，其中每個(gè)小方塊代表一個(gè)具有完全相同結(jié)構(gòu)的模塊機(jī)器人。機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠根據(jù)指令以及傳感器信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)，它是機(jī)器人的心臟，決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)有集中式、主從式、分散式三類控制方式，但它們都不太適合作為多變魔方機(jī)器人的控制系統(tǒng)，因?yàn)槎嘧兡Х綑C(jī)器人有著模塊化、可重組的鮮明特點(diǎn)。為了能夠充分發(fā)揮多變魔方機(jī)器人的特點(diǎn)，有必要為它設(shè)計(jì)適合其特點(diǎn)的控制系統(tǒng)。

　組成多變魔方機(jī)器人的模塊數(shù)量較多，而且每個(gè)模塊都有數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制以及通信等功能，為了能夠充分發(fā)揮多變魔方機(jī)器人的特點(diǎn)，故采用模塊化分布式控制系統(tǒng)(MDCS)。模塊化分布式控制系統(tǒng)由若干個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)與多變魔方機(jī)器人中模塊的個(gè)數(shù)相同，子系統(tǒng)與模塊一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能都相同，它是一個(gè)獨(dú)立的單元，擁有電源、微處理器、移動(dòng)結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、自由度結(jié)構(gòu)、傳感器單元和通信接口等，如圖1(b)所示。子系統(tǒng)除了控制與它對(duì)應(yīng)的模塊之外，還要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)以及計(jì)算和規(guī)劃等工作。模塊化分布式控制系統(tǒng)是一個(gè)基于分布式網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　模塊化分布式控制系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能完全相同，因此在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)出一個(gè)子系統(tǒng)，即只需要為一個(gè)模塊設(shè)計(jì)出硬件電路即可，多個(gè)相同的子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)總線連接起來就構(gòu)成了完整的控制系統(tǒng)。
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的多變魔方機(jī)器人的模塊為一個(gè)可以自由移動(dòng)的10 cm×10 cm×10 cm的小立方體，每個(gè)模塊上嵌入有自由度結(jié)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、傳感器單元、通信接口、電源和控制系統(tǒng)電路板。為了減輕模塊重量，模塊盡可能采用小型化設(shè)計(jì)，這樣勢必要求控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)也要小型化，因此選擇器件時(shí)要本著小型化的原則。
　考慮到模塊的供電和小直流電機(jī)的最大輸出力矩等因素，故只設(shè)計(jì)了一個(gè)自由度如圖2(a)所示，由一個(gè)經(jīng)過6條棱的中點(diǎn)的平面切割得到，這大大減小了模塊的功耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。這個(gè)自由度由360°無限位舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸在小立方體的中心，并在小立方體的下半部分安裝一個(gè)霍爾元件，在上半部分安裝三個(gè)磁鋼，根據(jù)霍爾元件測得的電磁信號(hào)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)位置。

　根據(jù)小立方體剖面圖圖2(b)，求得這個(gè)自由度的大小范圍為0~240°。模塊可以通過這個(gè)自由度，在近似不破壞任何一個(gè)面的情況下完成三個(gè)面的位置變化，如圖3所示。

　模塊的自主移動(dòng)方案有很多種，如足式、輪子和蠕動(dòng)[3]等。本項(xiàng)目暫采用比較簡單的三輪結(jié)構(gòu)，通過控制兩個(gè)小伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)配合一個(gè)萬向輪來調(diào)節(jié)分立模塊在平面上的移動(dòng)。
　為了實(shí)現(xiàn)多變魔方機(jī)器人的形態(tài)變化和自組裝，每個(gè)模塊必須要有連接機(jī)構(gòu)。常見的連接方案有機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)兩種，其中參考文獻(xiàn)[4]提出一種能提供足夠的吸引力或排斥力的E型電磁鐵，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)就可以利用它改變可重構(gòu)機(jī)器人的形狀。本項(xiàng)目采用定制的類似電磁鐵來實(shí)現(xiàn)模塊之間的連接與分離，并在模塊的六個(gè)面上分別裝上這種電磁鐵。
2.2 電氣設(shè)計(jì)
　多變魔方機(jī)器人模塊的電氣系統(tǒng)框架如圖4所示，它分為3個(gè)單元：控制中心、傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信系統(tǒng)。

　(1)控制中心：本單元使用ARM系列的STM32微處理器作為主控制芯片，它完成機(jī)器人的定位導(dǎo)航及其他決策任務(wù)?？刂浦行耐ㄟ^I2C接口接收編碼器的信息并計(jì)算處理，其結(jié)果可以用來作為定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)。同時(shí)，它收集每個(gè)傳感器的信息以及其他機(jī)器人的信息，并通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴Q策后經(jīng)I2C接口傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。
　(2)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)：本單元由控制器、傳感器及執(zhí)行部件組成。在模塊的內(nèi)部有四個(gè)單獨(dú)的ATmega8微控制器，分別控制著模塊底部用于移動(dòng)的兩個(gè)伺服電機(jī)、模塊中心用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的360°無限位舵機(jī)、分布模塊六個(gè)面的電磁鐵以及相應(yīng)位置的紅外線傳感器和微動(dòng)開關(guān)等傳感器。這些ATmega8微控制器通過I2C接口以“一主四從”的模式與控制核心通信，將傳感器采集到的信息傳給控制中心處理，并接受控制中心的命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
　(3)通信系統(tǒng)：多變魔方機(jī)器人模塊間的通信采用ZigBee無線通信。ZigBee無線通信選用TI的內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧擁有片內(nèi)無線定位引擎并包含一個(gè)增強(qiáng)型8051MCU的CC2431芯片，通過串口與控制核心相連。通過通信系統(tǒng)，多變魔方機(jī)器人的模塊就可以獲取來自其他模塊的信息并作出響應(yīng)。
3 軟件設(shè)計(jì)
　模塊化分布式控制系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的功能是相同的，因此在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)只要設(shè)計(jì)出一個(gè)子系統(tǒng)的軟件即可，子系統(tǒng)的軟件也是多變魔方機(jī)器人的模塊的軟件。它的模塊的軟件應(yīng)該具有以下功能：
　(1)系統(tǒng)協(xié)調(diào)功能。多變魔方機(jī)器人是由眾多的模塊組成的一個(gè)整體，各個(gè)模塊之間要相互協(xié)調(diào)才能保證機(jī)器人按要求完成某項(xiàng)任務(wù)。
　(2)計(jì)算和規(guī)劃功能。多變魔方機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中以及自重組過程中，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃以及傳感器算法計(jì)算等工作。
　(3)通信功能。作為機(jī)器人整體的組成部分，各個(gè)模塊之間必須能夠進(jìn)行通信。
　(4)感知功能。各模塊必須要能感知當(dāng)前的狀態(tài)，利用傳感器采集數(shù)據(jù)。
　(5)連接功能。多變魔方機(jī)器人在形態(tài)變化和自組裝時(shí)，需要進(jìn)行模塊間的連接與分離。
(6)運(yùn)動(dòng)功能。模塊能在平面上自主移動(dòng)并且還有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，多變魔方機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過組成它的模塊的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。
　軟件設(shè)計(jì)就是為了使多變魔方機(jī)器人的模塊具有以上功能，如果以后模塊需要更多的功能，只要在此軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展即可。模塊的軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　模塊的軟件控制流程采用中斷驅(qū)動(dòng)方式，主程序除了完成系統(tǒng)協(xié)調(diào)、計(jì)算和規(guī)劃等工作之外，主要是處于循環(huán)等待狀態(tài)來等待中斷的發(fā)生。
3.1 系統(tǒng)協(xié)調(diào)
　多變魔方機(jī)器人是由眾多的模塊組成的一個(gè)整體，它的任何一項(xiàng)工作的完成都離不開模塊之間的相互協(xié)調(diào)。雖然每個(gè)模塊都有能力進(jìn)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，但在機(jī)器人具體執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí)只需要一個(gè)或幾個(gè)模塊來處理這項(xiàng)工作，這種模塊暫且稱其為主模塊。主模塊的存在與模塊化分布式控制系統(tǒng)并不矛盾，因?yàn)槊總€(gè)模塊的結(jié)構(gòu)功能都相同，都可以成為主模塊。具體讓哪個(gè)或哪些模塊成為主模塊，則根據(jù)任務(wù)的需要?jiǎng)討B(tài)地確定。
　在多變魔方機(jī)器人的變形之處，系統(tǒng)選擇處于分散模塊中心位置的模塊作為首次確立的主模塊。CC2431定位引擎基于RSSI技術(shù)，能根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)裝置位置。由此可以得到所有模塊之間的間距，顯然當(dāng)其中一個(gè)模塊與所有模塊的間距之和是最小的，則該模塊處于中心位置，即被確立為主模塊。之后，每次完成模塊的自組裝后，則選擇最利于對(duì)接的模塊作為主模塊。
　確定主模塊后，這就需要選擇與其合作的模塊，為保障合作的高效性需要建立合作效果的評(píng)價(jià)機(jī)制。本文選取當(dāng)前要完成的變形形態(tài)、模塊與主模塊的間距和對(duì)接面與主模塊對(duì)接面的角度等作為評(píng)價(jià)參數(shù)。
主模塊對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)合作是通過與各個(gè)模塊進(jìn)行通信而實(shí)現(xiàn)的，主模塊可以給與其合作的模塊發(fā)送控制命令，與其合作的模塊有時(shí)也需要給主模塊發(fā)送回應(yīng)的命令。經(jīng)過這樣一次次的合作，就能完成多變魔方機(jī)器人的自組裝和形態(tài)變化。
3.2 計(jì)算與規(guī)劃
　多變魔方機(jī)器人的每個(gè)模塊都有計(jì)算和規(guī)劃的功能，但在具體執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，只讓主模塊來執(zhí)行這項(xiàng)功能。機(jī)器人在執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)主模塊需要進(jìn)行不同的計(jì)算和規(guī)劃工作，當(dāng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)某種變形時(shí)需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，主模塊根據(jù)多變魔方機(jī)器人根據(jù)機(jī)器人的初始形態(tài)和目標(biāo)形態(tài)，運(yùn)用特定的對(duì)接路徑規(guī)劃算法得到各個(gè)模塊的分開、組合序列[5]，這樣得到機(jī)器人的對(duì)接路徑后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，以決定機(jī)器人的各個(gè)模塊的中軸自由度轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，采用逐步填充式變形算法[6]完成機(jī)器人設(shè)定的形態(tài)變化。
　在機(jī)器人的變形過程中，主模塊除了要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃之外，還要進(jìn)行傳感器計(jì)算。多變魔方機(jī)器人在變形過程中需要由紅外傳感器、微動(dòng)開關(guān)等來對(duì)模塊的接近和對(duì)接運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)航，因此主模塊還要有傳感器算法的計(jì)算。
4 實(shí)驗(yàn)與總結(jié)
　經(jīng)過一系列安裝、調(diào)試，完成了多變魔方機(jī)器人的原理樣機(jī)。多次試驗(yàn)后，順利完成了自組裝和幾種形態(tài)的變化。各個(gè)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)器人各模塊運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，尤其是在硬質(zhì)平面上運(yùn)動(dòng)更為明顯。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)工作正常，CC2431定位效果良好，順利完成了系統(tǒng)的控制，完全達(dá)到現(xiàn)階段的要求。作為原理性的工作樣機(jī)，該控制系統(tǒng)是合適的。
　多變魔方機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中具有重要的價(jià)值，下一步將對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。后期的研究中將考慮增加陀螺儀、加速度傳感器、攝像頭等，并改良模塊的自主移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以期多變魔方機(jī)器人能在更惡劣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自組裝和形態(tài)變化，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。
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