一种基于ZigBee无线通信水下自重构机器人

摘 要 本文以STM32W108——ZigBee无线通信控制器为核心，从水下自重构机器人的个体连接方式、水下运动方式、水下近距离定位和自组网与群体智慧等方面对水下自重构机器人系统进行研究与设计。设计了机器人的连接机构。不同个体之间以机械连接为主，配合微型接近开关和ZigBee的信号强度检测技术实现个体之间的稳定简洁连接。研究了机器人的运动方式，确定了个体机器人运动所需的最小自由度的数量为二个，并根据所要完成的运动方式将两个自由度的分布位置设计成两个关节组合的方式。通过利用ZigBee的自组网技术设计了一种简单的群体智慧运算程序，并在多个机器人组合成一个整体时，通过多种群体运动方式检验了该技术。

【关键词】水下自重构机器人 STM32W108 ZigBee技术

随着互联网与高科技的不断发展，人们希望节省时间，越来越多的事情由机器完成。单台机器人只适用于一些任务简单、环境相对固定的场合。然而，对于一些不可预知的作业任务，就无法选择机器人的最佳结构，需要由许多具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成，这种做法往往耗资巨大，甚至于不可行。重构机器人的研究正是针对此类应用背景开始的，其主要思想是，利用模块之间的连接性和互换性，以及模块自身传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块之间的相互操作改变整体构形，扩展移动形式，实现不同的运动步态，完成相应的操作任务。这种机器人可以应用在任务复杂的场合，如空间操作、救灾搜索、战场侦察、核电站维护等。

如何解决当前水下机器人所面临的问题使得水下自重构机器人系统具有极高的研究价值及应用意义。2001年，上海交通大学水下工程研究所葛彤教授提出UMSR机器人的概念，并开发了UMSR机器人试验样机USS （Underwater Self-reconfigurable System）。目前试验样机接连开发了两代，第一代USS机器人属于链式模块化自重构机器人。第二代USS机器人则增加了一个根模块，跟模块有多个被动连接面，可以构成章鱼和四足构型。模块还可以实现正交对接，实现构型的3D变换。UMSR机器人涉及到水下密封、水下光电引导、水中姿态调整以及水下机械、电气拼接。尽管一些研究机构在该领域内已经取得了一些成就，但是水下机器人自重构过程中的通信与定位实现难度依旧较大。Zigbee主要用于短距离无线控制系统，传输的少量的控制信息。具有低成本、低复杂度、灵活的组网特性，多种拓扑结构、可以建立大型无线传感器网络，低功耗特别适用于电池供电的系统中。根据水下自重构机器人系统的机构、性能、工作条件等方面的要求，本系统选用了Zigbee无线通信技术。因此用ZigBee技术建立小范围通信网络系统弥补这些问题是很有必要的。

1 系统整体结构

本文采用具有高可靠度、低复杂度、低成本、低功耗、高容纳性的ZigBee无线网络来设计水下自重构机器人系统。单个系统主要有连接机构、运动机构、电路与控制系统、通信系统、定位传感器五个部分组成，整个机器人系统是多个机器人组成的集群智能整体， 系统组成结构如图1所示。

2 总体方案设计

基于Zigbee通信的水下自重构机器人系统包括连接机构、运动机构、无线通信系统网络三个部分组成。本系统的示意图如图2所示。

图2包括三个部分：连接与定位系统、STM32W108核心控制系统、运动机构。

2.1 连接与定位系统

连接机构是水下自重构机器人系统的重要组成部分之一，所以要谨慎设计器连接机构及相应的传动设备。本文采用的是旋转自锁机构作为连接机构的基本形态。该机构将运动部分简化为一个转动副，该转动副的移动距离应尽可能地小以方便传动机构的安装，并将零件简化到3个以内，以方便利用实验室的3D打印机等工具制作。为满足3D打印机的精度要求，每个零件的设计都应该以1mm为最小单位。强度应至少能偶承受2个机器人个体的自重拉力。同时配合以电感性接近开关为连接时的是否连接到位的指示传感器。连接机构大致设计方案如图3所示。

2.2 STM32W108核心控制系统

本文使用业界领先的STM32W108CBU64无线模块。32位的内核处理速度更快，寻址空间更大，内部集成通信模块，信号更加稳定，同时满足低能耗特性。STM32W108无线模块支持IEEE802.15.4 Zigbee协议，集成EmberZNet协议栈。48引脚封装，外围提供27个GPIO供用户分配使用。增强型模块通信距离更远，适合长距离通信。其电路选择的合理与否直接影响到无线网络的安全性、可靠性、稳定性、鲁棒性等性能。所以要谨慎设计无线射频模块。

2.3 运动机构

单个水下自重构机器人的运动机构是整个机器人系统群体运动的基础，其运动形态和形态直接决定了机器人系统的组合外形拓扑结构。因此，单个机器人的运动机构本身的运动方式不应该太复杂自由度因为一到两个。为了支撑起整个机器人系统的群体运动，该运动机构应具备足够的动力和活动空间。

本文所选择运动机构应当具有较大的扭矩，动力元件在两个以内，具有较好的防水性能。满足该需求的动力元件为两个配有金属齿轮减速器的DS939HV防水舵机，该种舵机正常工作在6V到7.4V的电压下，工作电流200～250mA，最大扭矩可达到2.8kg·cm，工作速度最大0.12sec·60度，体积较小可有有效的满足工作需求。這两个舵机将以平面镜像的方式被布置在水下自重构机器人的中心位置以实现一个自由度上的全周运动。

3 机械结构设计

为了保证当个机器人之间的通信与链接成功和整体运动的稳定性，机械机构的设计是之后进行ZigBee研究的基础，因此本文依次给出了连接机构和运动机构的设计和依据。

3.1 连接面与连接机构的设计

应用插入式螺旋自锁结构将机器人之间进行连接。一个机器人个体有两个连接机构组成，每个连接机构与机器人主题用舵机相连接。每个连接机构有3个连接面，每个连接面的设计基本相同。一个连接面外部有卡榫、接近开关安装孔位、卡榫插入孔位组成。在执行连接动作时，卡榫会先插入到连接孔位之中，当接近开关检测到两个连接面重合时，步进电机会驱动旋转机构转动，将卡榫锁死防止连接面脱开。结构分布如图4所示。

3.2 运动机构

本文所设计的水下自重构机器人运动机构由两个舵机组成，尤其构成整个群体运动基础单元。其中防水舵机采用DS939HV型号舵机，反应速度快、扭矩大、体积小，单个舵机完全具有举起整个机器人个体的能力。因此单个机器人的运动机构的设计为两个舵机布置在同一平面，带动两个连接机构的方式，具体如图5所示。两个舵机被对称布置在中部控制舱得两侧，共同组成两个转动副，有两个在同一平面的轴，转动轴1和转动轴2。其中每个舵机自身有180度的运动行程。

3.3 整体设计

单个机器人机械机构包括连接机构和运动机构两大部分组成，详细设计内容已经在前面两节描述过，而且都已经给出了详细的运动仿真分析，在这种情况下，我们可以确定一种可靠的、最佳的机器人设计方案，其三视图如图6所示。该机器人个体具有两个自由度的活动能力，每个自由度由一个转动副相连接，其主体部分展开后的最大尺寸为80mm*80mm*160mm，连接方式简单可靠稳定。

4 水下通信与ZigBee自组网的研究

4.1 Zigbee体系结构

为了实现ZigBee协议，本文使用的是Ember公司的EmberZNet协议，其使用分层的思想实现，它对应着Zigbee协议的五层结构，分别为MAC层、网络层、保密层、APS层、应用层，除应用层外其他各层均已被封装到了芯片的内部，使用其应用层来进行开发。

水下自重构机器人自组网络系统中有协调器和路由器两种设备。其中协调器即中央数据采集节点，它负责建立网路，维护网络，选择网络通信信道，给它的子节点分配网络地址，接收检测节点的数据并发送给上位机，在整个机器人系统中只有一个协调器，该协调器不安装在机器人内部，与上位机通过串口连接。路由器（即中间转发机），它加入网络之后维护网络，把它的子节点暨其他路由器通过它加入网络并将数据转发给协调器，它也是每个机器人的控制核心。两种设备的程序是不一样的，在图7中展示了一个典型的EmberZNet应用程序的主循环，程序流程图详见图7。

4.2 协调器节点的实现

当协调器上电后对硬件初始化，建立无线网络，其处理过程有以下几个阶段：

（1）协调器通过选择信道和一个唯一的两字节PIN-ID，来启动网络（图8（a））。岂会通过扫描和搜索的方式来选择一个干扰少的信道，如果搜索到其他协调器所使用的网络，则应用程序会尽量避免使用一个冲突网络，当冲突不可避免时，通常第二个协调器会以由器的身份加入第一个协调器的网络里。

（2）其他路由器节点加入协调器网络（图8（b））。

（3）其他路由器之间组成网状网络（图8（c））。

（4）组建网络之中节点间的父子关系（图8（d））。

一旦新的网络被建立起来，就有必要通知栈允许其他节点加入到这个网络中。

4.3 路由器节点的实现

路由器节点上电后对系统进行初始化，然后检测协调器建立的网络并自动加入该网络。为了加入网络节点必须遵循的处理过程如下，如图9所示。

（1）新的路由器节点扫描信道来发现所有本地的路由器和协调器，这些节点是加入网络的候选者。

（2）正在扫描的设备选择一个父节点设备，并提交一个加入申请。

（3）如果接受的话，新的设备接受到一个确认信息，确认信息中应当包含协调器分配给该节点的网络地址。

路由器节点所接收到的协调器数据主要为指令数据，其接收到的数据包格式如表1所示。

每个机器人个体通过接收来自协调器的指令，共同完成相应的任务，比如机器人的连接、脱离和运动等。

5 仿真与实验

一群由ZigBee无线网络系统组成的机器人系统，就是一个强大的移动传感器网络，通过每个个体收集到的大量外界数据，如果遇上意外就能够及时调整做出反应，即使这些机器人个体自身的自动化程度并不高，但是如果一个成员出现了故障，另外一个就可以依靠ZIgBee自组网的方式接替其位置。此外，网状网络中路由器的个数和组网方式都不受限制，其可以做到控制无中心，不依赖于某个“领导者”。

多个机器人的群体智能是利用群体优势，在没有集中控制，不提供全局模型的前提下，为寻找复杂问题的解决方案提供了新思路。以往单个复杂的机器人系统的任务可以由多个简单机器人个体组成的群体合作完成，而后者往往更具有鲁棒性、灵活性和成本优势。

群体运动实验是在实验室的资源条件下进行的，将两个机器人置于水中，进行了两种整体运动，然后在陆地上执行了一种运动，第一个运动实验是测试两个机器人在水下的连接与脱离动作的可靠性，实验效果如图10所示。

由图10可知，两个机器人可在水中进行连接和脱离。

由图11可知，两个机器人在陆地上可执行站立向前运动等动作。

本文介绍了自重构机器人的发展情况和无线通信网络，利用经过验证的机械连接结构和高性能的ZigBee技术，开展了一种新型的水下自重构机器人的相关研究。首先，岁机器人的连接方式、运动方式进行设计，选择步进电机和舵机以确定机器人的结构；其次以实现机器人的水下自重构为目的，选择了ZigBee无线网络，设计了机器人的通信组网系统方案；最后设计编写了机器人系统整体运动和自重构的程序，利用机器人样机进行了相关实验。由实验可知本文设计的基于ZigBee通信的水下自重构机器人系统可实现实验中设计的水下连接、脱离、蛙泳前进、地面行走等动作，实际的验证了该机器人的合理性与可用性，以证明本系统符合设计要求。

参考文献

[1]李斌，吴镇炜，谈大龙.可重构机器人技术的探讨[J].信息与控制，2001，30（07）：685-691.

[2]Wu C，Ge T，Lian L.USS-An Underwater Self-reconfigurable System[Z].2008：1-7.

[3]庄廣胶.水下自重构机器人工程样机[D].上海交通大学，2011.

[4]李文仲.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[5]王然.ZigBee无线组网技术的研究与实现[D].吉林大学，2006.

作者简介

耿图（1989-），山东省平度市人。大学本科学历。现为91428部队助理工程师。主要研究方向为信息与通信技术。

李相龙（2002-），辽宁省葫芦岛市人。现就读于衡水一中。

张继宇（1989-），吉林省大安市人。哈尔滨工程大学自动化学院硕士研究生。主要研究方向为模式识别与智能系统。

作者单位

1.91428部队 浙江省宁波市 315000

2.衡水一中 河北省衡水市 053000

3.哈尔滨工程大学自动化学院 黑龙江省哈尔滨市 150001