摘 要：变胞机器人是一种新型机器人，由多自由度的关节构成。其具有良好的环境适应性，能够根据周围环境情况，在大范围内对自身的形状做出改变，因此变胞机器人在军事侦查、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。综述软体机器人的方案分析、机构设计、应用领域等问题。

关键词：机器人；结构设计；变胞结构

0引言

机构是机器和机器人的基本组成。机构学奠定了机械工程、仪器工程和控制工程等多种学科的理论基础， 机构的发掘和机构学的发展没有停止。尤其在20世纪90年代至今， 一些老机构的新含义被开掘， 一些新型机构出现。其中具有代表性的是基于机构的自我组合和自我重构而出现的新机构，即变胞机构。其是源于人类开发大自然和开拓外空间的实际需求，是对传统的定自由度和定拓扑结构的机构的一个新的突破和拓宽。

变胞机构于1988 年首次提出，这一新类型机构能够根据环境和工况的变化和任务需求进行自我重组和重构，自提出以来广泛地应用于制造業和机器人。特别是在航空航天，探索机器人等领域，变胞机构有着极为重要的应用。

1方案分析

模块化自重构变胞机器人，该机器人能够面对不同的环境，自动实现自身结构的重构，即变胞，从而最大程度上适应各种不同的地形。同时此机器人采取模块化设计，易于拆卸和组装，同时可以实时传回采集到的图像和数据，完成侦查和探测等工作。关键如下几点：

（1）创新点：

a） 采用模块化设计。此机器人采用模块化设计的方法，机械部分分为机器人主体、连杆、履带轮三个部分；电子部分分为核心控制模块、传感器模块、无线图传模块、无线数传模块、以及动力模块；软件部分分为摄像头图像采集模块、以及上位机部分等，各个模块之间协同工作，便于拆装，对于新的应用场景，可以添加新的模块，进行二次开发，具有一定的柔性；

b） 三种构态自动切换，以应对不同的地面环境，从而实现对地形最大程度的适应，并实时传回现场情况。

（2）关键技术：

a） 机器人的动力学分析以及步态规划，目前此方面实验室已经有数年的经验积累；

b） 对不同地形的识别与判断，这是软件部分最为核心的部分。初步选择采用OPENCV进行环境识别，项目组有丰富的开发经验，项目组曾做过利用OPENCV识别某一非特定的色块，并控制小车跟随移动，取得了较好的效果；

c） 机器人系统的集成控制，为了更好地适应不同的地形，机器人的体积不能过大，这就要求控制系统必须高度集成，同时也要满足功能的要求。

（3）科学性：

a）采用OPENCV进行环境识别，有很多成熟的开发实例可供参考，虽有一定难度，但是可以实现；

b）控制系统采用PCB板，稳定性强，集成度高，能在一定程度上缩小机器人的体积；

c）设置有故障应急系统，当检测到电压电量过低自动报警，并发出光闪信号，便于及时更换电池和回收。

2方案设计

（1）系统设计原理

变胞机器人由上位机和下位机两部分组成。下位机又分为机器的机械结构设计和电子硬件的搭建，实现机器人的自重构和运动。上位机则是通过图像的采集后，对采集后的图像用进行识别和处理，再向下位机发送相应的指令，实现某些特定的功能。上位机和下位机通过机器内部装设的串口进行通信从而实现上下机的同步。通过图像的识别，辨别所处的环境，进行构态的转换，从而适应不同环境。

（2）变胞机器人的原理分析与设计

变胞机构是具有变拓扑结构的机构，变胞机构的描述方法需要符合自身的特点，每一拓扑结构图可采用邻接矩阵表示，并可进行矩阵运算，仅根据拓扑图的变换来进行变胞机器人的设计。所设计的变胞机器人具有半卧式、卧式构态，具体展示如下：

根据图1 可以构造出如下方案：其中1 为机器人主体，2、4、6、8 为连杆，3、5、7、9 为由轮子、履带和加长臂构成的履带轮，10 为地面。每一条履带都通过一个加长臂和两个关节（由机器人舵机实现）及连杆和机器人主体相联。通过电机的驱动，每一条履带都可以实现任意角度或方向的伸展、折叠或旋转。通过这些履带、关节和加长臂的不同的组合方式，我们就可以获得机器人不同的构态，不同构态可以适应不同环境的需要。

3结束语

本文提出了一种变胞机器人，并对其调节机构进行了较为详尽的阐述。整体构造简单，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。

变胞机器人是一项技术密集性高、系统工程强的智能技术，广泛应用于航空航天、未知地形探索等领域，用途十分广泛，具有非常重要的民用和军事应用价值。

（1）航空航天领域的广泛应用

变胞机构的发展，源于人类开发大自然和开拓外空间的实际需求，是对传统的定自由度和定拓扑结构的机构的一个新的突破和拓宽。因此，在航空航天领域变胞机构有着极为重要的应用。在星球探索机器人、航天器太阳能板展闭机构等，都有着极为重要的作用。

（2）未来军事化战争和防御重要作用

由于变胞机器人对未知环境的高度自适应能力，其可以广泛应用于军事侦查、突袭等领域，最大程度上减少人员损失，取得新时代下信息化战争的胜利。

（3）灾害搜救、泄露现场探测等工作

此种变胞机器人可以轻松的穿过洞口等狭小环境，并将现场的环境实现实时回传，因此可在灾害救援等领域发挥较大的作用。同时，针对化工泄露等特殊情况，还可搭载专业的传感器进入现场进行勘测。

通过阅读本文，不仅能满足变胞机器人研究人员对结构设计的参考需求，也能加强一般读者对机械知识的了解。同时变胞机器人易于实现量产化、商品化，激发青少年对机械构造的热情，可放于科技馆让大众了解机械构造的精妙与渊博，具有广阔的推广前景。

参考文献：

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