“变形金刚”机器人的设计与实现
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摘 要：本项目参照人体骨骼结构并综合考虑运动中模块间的碰撞、结构变化步数以及车型状态等因素，为机器人设计精确构型。基于机器人结构设计，详细探讨本项目变形机器人人车变形过程，具体展示不同构型的特点及相互之间的转换和衔接，打破变形机器人研究局限，推进本领域关键技术的突破。
0 引言
随着机器人技术不断发展，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有的领域，使人类的生活发生了显著的改变。
美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。第一台可变形机器人样机就诞生于1988年，由美国卡内基・梅隆大学机器人研究所研制的可重构模块化机械手系统（RMMS）。自此，变形机器人系统不断完善，各种可变形机器人层出不穷。
我国在某些关键技术上有所突破，但未掌握整体核心技术，具有中国知识产权的变形机器人较少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20 世纪80 年代初的水平。特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。总而言之，国内产业缺乏可变形机器人的制作技术。
综合国内外机器人的发展状况，可见机器人的研究已经取得了一定的成绩。但是，由于某些机器人因机械结构的限制，很难适应工作环境和任务的变化，因此迫切需要一种能够灵活地根据周围环境调整运动姿态的机器人，以适应更为复杂的任务。
变形机器人是机器人领域中新兴起的一个研究方向，同时也是当前机器人学研究领域的一个热点和难点。变形机器人又称可重构机器人，是一种具有较强环境自适应能力的机器人，它可以根据环境变化和任务要求而改变自身的构形来完成不可预知的作业任务。目前已经开发的变形机器人系统根据其能否实现自动重组，一般分为两类：静态变形机器人和自变形机器人。但目前这两种机器人大多还处于原理样机研究阶段，其移动与变形速度比较缓慢。本项目所设计的变形机器人，由许多功能简单并具有一定感知能力的模块机器人有机联接而成，有效地解决了上述机器人移动和变形速度缓慢的问题。变形机器人通过变形获得不同的形态，实现机器人在不同的环境情况下采取不同的运动步伐或机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而呈现一种新的作业构形，以适应环境的要求，从而发挥不同的作用。
1 “变形金刚”机器人的设计
本项目对变形机器人进行合理的优化，在保证机器人整个拓扑连接关系不发生变化的前提下，通过机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而重新呈现一种新的作业构形，完成给定的任务。其次，通过汲取美国孩之宝公司推出一系列级别的变形金刚玩具构思，改进本项目变形机器人的形态和构形的整体协调运动形式。最后，通过3D-MAX等三维图解对机器人在变形过程中进行形象的运动过程进行分析，为机器人的设计与实现提供了实质性的参考依据。
1.1 机器人的结构设计
变形机器人的设计不同于一般人形机器人的设计。为了实现人形状态的完备功能，机器人的构型需要依照人类运动关节的构造而设计。本项目变形机器人采用了19个舵机实现其完整的功能。首先是变形机器人人形基本结构的设计（如图1）。腿部由10个舵机来实现人形的基本功能，保证变形机器人处于人形状态下能够自由行走，并且能够实现劈叉、侧走等多个功能。手部应用了6个舵机，能够实现手部的前举、上举、侧举等功能。另外是头部的设计。在变形机器人处于人形状态时，用舵机替代变形机器人的头部，而头部的挡板转至胸前，作为机器人的胸板；在变形机器人处于车型状态时，挡板转动覆盖住头部舵机，作为机器人车型的车头结构。为保证车型机器人（如图2）的实现，在机器人膝关节处加装了一对360度舵机并配有防滑轮作为主动轮，而在机器人的肩部加装了一对防滑轮作为从动轮，由主动轮带动从动轮实现机器人的自由前进。同时，在变形构型设计上既要考虑在变形过程中模块间的碰撞、一次结构改变的步数以及确保模块集合可以到达必要的位置，又要精确设计车型四轮的安装位置，以及其他构型对其变形过程所造成的影响。
图1 机器人人形结构设计图
图2 机器人车型结构设计图
1.2 机器人的运动模式及运动姿态设计
本项目机器人变形过程中，脚踝上360度舵机、膝盖舵机、腰部舵机照指令旋转，促使变形机器人身体部位前倾，根据惯性，机器人身体部位向前转动落于腿部、腰部部位接触地面、腿部呈现折叠状态。这时，变形机器人腿关节处装有的车轮便与地面接触，使其变成车型机器人的车轮，从而实现人形到车型的状态。接着，根据指令，轿车形态的机器人开始运动。
在实现轿车形态与双足形态的转换时，利用机器人的车门即手来做定点支撑，腿部伸直，脚板贴地，利用舵机的力度，使机器人缓缓撑起，从而得到双足的状态。（如图3）
图3 机器人变形过程图
2 “变形金刚”机器人的实现
变形机器人所有模块的运动都基于一套几何学的原理，并通过程序算法控制机器人的运动动作，实现机器人能够在不同的地面和环境情况下采取不同的运动步伐或机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而呈现一种新的作业构形。采用通用的权限算法和操作步骤，支持变形机器人处于双足状态时具备人形机器人舞蹈、格斗、行走等多种功能。
2.1 机器人基本部件
本项目所涉及的变形机器人采用舵机来实现机器人各部件的衔接，其中腿部为串联机构，共有12个舵机，单条腿上由5个180度舵机和1个360度舵机组成，具有6个自由度、6个旋转关节、4个轮子和多个连杆。
2.2 人形机器人转换成车型机器人
此转换过程是“变形金刚”的主要功能体现之处。机器人的驱动系统由左右2个电机构成，分别带动其对应的一侧车轮转动，从而实现机器人平台的前进、后退和转向等动作。车轮直径为200mm，正常行驶下采用轮式行进。机器人接收到操作员发出的信号，可以实现前进、转弯、后退等作业。当遇到高于轮子半径且低于250mm高的障碍时，通过前后腿协调摆动来实现越障；当遇到高于250mm的障碍时，可实现差速转向。轮腿之间的角度可以调节，进而调整机器人的横滚角，在遇到左右高度不同的地形时，可以通过调整轮腿之间的角度来保持机器人的平稳。
当机器人接收到无线遥柄发出的信号时，机器人从站立的姿势开始，机器人的头部、胸部关节舵机先收起，然后其腿部关节、腰部关节以及肩部关节舵机按照指令进行旋转，直到手臂盘旋着贴近背部，随之双膝弯曲，类似于“扎马步”。根据惯性，变形机器人的重心往前倾，在此过程机器人的2个驱动轮和2个滚向轮落地。再者，脚板处的舵机向上收起，呈现折叠状态，作为车型状态下机器人的尾翼。而位于身体一侧的手部挡板则作为“车门”，可以实现“车门”的打开与关闭等动作，此时，背部的挡板作为车身的主体部位。由此实现了人形机器人（如图4）到车型机器人（如图5）之间的转换。
图4 该研究项目机器人变形人形状态的结构图
图5 该研究项目机器人变形车型状态的结构图
2.3 车型机器人转换成人形机器人
车型机器人转换成机器人是变形机器人在实际操作过程中的一个重难点。其结构左右分别对称，主要由“头部”、2只“手”、2条“腿”和“身体”构成。其中，对可变形机器人的单腿串联机构进行了运动学分析，构建了可变形移动机器人腿部的运动学模型。在结构上，单腿是由5个舵机通过U形构件连接而成，使得机器人能够保持平稳和正常行走，甚至具备舞蹈、越障等能力；单手由3个舵机构成，能够向360度“伸手”，实现多种功能。在站起的过程中要充分考虑机器人重心的问题，使之在整个变形过程中找到平衡点。在实现轿车形态与双足形态的转换时，利用机器人的车门即手来做定点支撑，腿部伸直，脚板贴地，利用舵机的力度，使机器人缓缓撑起，从而得到双足的状态。
3 结束语
“变形金刚”机器人采用适当的优化方法确定最优的装配构形，通过机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而重新呈现一种新的作业构形，以适应环境的要求，完成各种给定的工作。“变形金刚”机器人是由许多功能简单并具有一定感知能力的模块机器人有机联接而成。变形机器人通过变形可以获得不同的形态，即通过人工操作无线手柄根据变化的环境和任务调整自己的结构，实现机器人能够在不同的地面和环境情况下采取不同的运动步伐或机器人关节的运动导致本体的某些部分相对位置的变化而呈现一种新的作业构形。变形机器人突破了单一形态机器人特定的运动方式的限制，直观具体展现不同形态机器人各自特征以及相互之间转换与衔接，更易理解机器人各关节运动对机器人动作运动的影响，其核心是智能技术。再者，机器人人车自由转换这一特点不仅可以完成不同性质的任务，还大大地节约了资源，降低了成本。
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基金项目：本论文的研究工作受2012年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目资助（编号：2012R425001）。