机器人模块化

北京大学工学院课程报告专用纸

2011 -2012学年第2 学期

姓名：雷博学号： 1100011099 课程名称：机器人竞赛实践主讲教师：谢广明

题目：

教师评语：

成绩：教师签名：

机器人的模块化机器人竞赛实践课程期末论文

雷博

2012 06 04

机器人的模块化

关键字：机器人，模块化，协调与整合；

背景：随着科学和技术的进步，机器人的类人化仿真已经取得了一些比较重要的成果。比如机器人的类人化双足行走○1和机器人人机互动手臂○2基本已经实现，还有机器人对于人面部表情的模拟和识别○3也已经取得了突破性的进展。总体上看，机器人的某一模块以在功能，作用方面的实现为方向的研发已经突飞猛进。

需要注意的是，这些“成熟”的机器人没有学习和记忆能力，也没有多少分析决策能力：因而没有人的指令预设它就不会动，就算能动也只是做一些又预设程序决定了的重复性活动；它也没法“新陈代谢”○4，永远存在着硬件方面的机械性老化和磨损便会一直进行，即是一个机器人没法长期性的自动更新，只能越来越破，越来越旧；它也没有感情○5，更不可能懂的什么是爱○6；······于是，我们就能发现，目前机器人的研究和开发还只是一个模拟性阶段过程，那么纵然自动执行指令的能力有多么好，它们逃不出“ROBOT”这个单词背后暗指“奴隶”的诅咒○7。

和人完善和成熟的生理功能相比，机器人的化还有很长的路要走。

由此，在机器人的研究和开发领域，一定程度上地分析和借鉴人类生理上的精妙系统化构造和各个系统搭配工作的过程将具有很重要的启发意义。并且，相应地将机器人模块化分析和研究将有助于“隔离法”局部性研究。且不提机器人高度智能化和自主化的负面后果，能够做出智能化和自主化的便已经是一种价值的伟大创造，而且我们也不应该因噎废食，仅仅因为潜在的风险而停下探索的脚步。

人类，作为万物之灵，是生物进化史上的一个奇迹。在生理上神经系统、运动系统、消化系统、呼吸系统、免疫系统、泌尿系统、脉管系统、生殖系统、内分泌系统和感觉器官○8一起协调合作，稳定搭配，借助新陈代谢这一核心过程，实现人了自主思考，学习与推理，运动和语言等重要特征性生理功能。

机器人的模块化

机器人模块化的定义：机器人的模块化，就是将机器人某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统；再将这个子系统作为通用性的模块与其他子系统进行组合，构成一个完整的机器人，甚至产生多种不同功能或相同功能、不同性能的效果。

机器人模块化的意义：

通过机器人的模块化过程有助于研究和开发。将机器人的各个组分分离开来进行研究，可以降低机器人研发的复杂度，使设计、制作、调试和维护等过程简单化、经济化、高效化；同时让各个领域的专家做自己擅长的事情，可以让他们充分发挥各自的专业优势，将自己负责的模块做到最好；

模块化机器人的可塑性非常强。基础性的若干个模块能够组装成一个简单的机器人，另外附加的若干个功能能性模块则可以使其按照人的目的去组装成任何想得到的形态，并且发挥相应的功能。

模块化机器人的可维护性非常强。因为每一种模块在研发成型了之后，每一个这样的小体系都能够完成相同的工作，这也就意味着它们之间能够相互替代，为老旧的或者损坏的模块提供修复的原材料，这个过程只需要卸下老旧的或者坏掉的模块或简单地吸纳一个新的模块。将它们放置在一起，模块可能像一盘沙子或一摊水银，但是当这些零件发生联系后，模块机器人可以组装成任何形式。

模块化机器人的经济性非常强。我们注意到，研发过程中模块化让人力、物力、财力各得其所，各尽其用，这有助于避免浪费现象，将显著地降低研发成本，提高研发过程的经济性；同时，模块化机器人的可塑性也意味着一个机器人生产企业可以在一个工厂就生产出全系列的机器人产品，这有利于企业规模效应的实现○9，那么原料、运输、地租、人力、管理等方面的成本自然也就降下来了，生产过程中的经济性自然就达到了；还有，对于每一个机器人的使用者而言，难免碰到的机器人发生故障，这时经过一些修理便能继续使用，其中常见情况就是某一个模块坏掉了，那么修理时只处理这一个模块就行了。与动不动就购买新的机器人相比，更换，翻修单个特定模块都是极其合算的的事情，于此，机器人的可维护性成就了机器人在使用过程中的经济性。

机器人模块化的实现条件：

1、机器人的模块化需要一个共同的开发平台。机器人的模块化能够将一个完整的机器人分成若干的小的子系统，而这些子系统之间需要建立在同一平台上才能组装得上，才能从一堆功能单一的模块完成到机器人的转变。这就好比计算机编程，A用C++编写了一个头文件，B 写了用JA V A写了主函数；头文件和主函数可以完美地组成一个程序，但在这里C++和JA V A 平台的非兼容性让这两个子程序形同陌路。

同样，机器人的模块化按照一定的标准进行模块分类，这些分类标准将一个完整的机器人分成若干个不同的部分，也将它当中的某些子系统走在了一起(比如按功能来分，发声和发光

完成的都是机器人的一种自我信息表达，它们被分在了一起。)这里这些分类的依据的共同标准就是一个平台。

2、协调与配合。

机器人需要各个模块的完整和正常。人的“模块”的9大系统外加一些感知器官从生物学角度上来说都是很完美的生命组织，但它们从不可能做到独立运作，它们只有当且仅当各个部分都正常运转时才能保证全身新陈代谢的正常进行和人的健康。同样，机器人需要各个模块的完整才能正常工作。可能某些模块看上去不那么重要，它们坏了一点机器人还能够正常运转一段时间，不过总体上看，坏了就是坏了，因为坏的这些模块其他的模块也要承担更多的工作任务，这些非正常量早晚也会导致这些模块的老化和故障，最终造成整个机器人的崩溃。（多轮运动的机器人其中一个轮子坏了其他轮子还能维持机器人的正常工作，不过总体上看，一个轮子坏了，机器人还能动；更多的重量被放在了正常的轮子上，它们出问题的几率大大增加，）机器人需要各个模块的协调和配合。机器人的各个模块只有通过协调和配合（具体实现会在下文论述）成一个和谐的整体才能共同工作，实现机器人的功能。试想要是模块A工作不到位甚至和模块B发生“矛盾”，与模块A直接协作的各个模块也一定完不成相应的任务（如果A是直接作用于环境，是机器人的功能直接执行者，那么此时机器人的功能执行也会大打折扣），总体上机器人的功能实现也会收到一定的影响。对于智能化程度高一点的机器人，各个模块的协调和配合甚至是其智能化过程实现的核心。

机器人模块化的标准：机器人模块化在于按照机器人各组分结构特性，功能特点，连接模块特点等标准对机器人各组分进行分组，这在不同机器人上有不同的分组情况和模块化结果。

来看一个例子：参照人类生理结构的系统化特点（新陈代谢和思考两大基本生理功能），一个独立性机器人可以分成以下三大体系模块，分别如下：

⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩感知模块

终端计算模块表达模块

生存模块

（注：感知模块，终端计算模块，表达模块分别对应反射过程中的感受器、神经中枢、效应器；生存模块对应人体全身所有用于进行新陈代谢的系统）

以下对各个模块的工作机理和模块体系间的合作关心从实现目标与应用前景、搭配与合作、