一种可重构模块化机器人系统的运动学研究
新型可重构机器人逆运动学的研究
新型可重构机器人逆运动学的研究
魏延辉;赵杰;朱延河;蔡鹤皋
【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2008(035)001
【摘要】提出新的模块建模方法,通过新的建模方法,可快速搭建机器人的运动学模型.将机器人在目标点的工作位形分解成有限个构形平面的方法,通过对分解的平面构形的工作空间描述,进行构形平面间的姿态和位置匹配,从而找到机器人的数值逆解.通过对采用基本模块搭建的八自由度机器人构形的运动学实例仿真,验证了该方法的可行性.
【总页数】8页(P175-182)
【作者】魏延辉;赵杰;朱延河;蔡鹤皋
【作者单位】哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.2
【相关文献】
1.一种新型辅助起立康复机器人的设计及逆运动学分析 [J], 姜洪源;马长波;李姗姗
2.新型煤矿救援机器人的特殊运动逆运动学 [J], 刘罡;刘玉斌;赵杰;朱磊
3.可重构模块化机器人逆运动学建模 [J], 张艳丽;李树军;李景奎
4.可重构机器人封闭形式的运动学逆解计算 [J], 赵杰;王卫忠;蔡鹤皋
5.可重构机器人运动学正逆解的算法研究 [J], 吕晓俊;钱瑞明
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关节型模块化机器人构型及运动学研究
ｊ 坐标系建立方法， 基于旋量理论和指数积公式推导出了每个单元模块的变换矩阵， 得出了适用于关节型 ｉ
机 器人构型变化 的正运动学方程 。最后通过 实例验证 了拓扑构型分析及运 动学算 法的正确性。
关键词 ： 机器 人 ； 块化 ； 模 拓扑构 型 ； 运动学
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一
中图分 类号 ： ＨＩ ２Ｔ ２ 文献标识 码 ： Ｔ １ 。Ｐ ４ Ａ
１ 引言
成适 合特定任务要求的机器人。 由于机器人的工作能力和性能与
现实很多场合需要机器人在不同的环境 模块化可重构机器人 已成为近年来机器人研究领域的热点 机器人的构型密切相关 ， 如何快速的实 之一ｎ 其基本思想是统筹考虑机器人类别及任务要求 ， Ｊ 。 依据一定 下工作或完成不同的任务时有不同的构型。因此 ， 原则将机器人划分为具有独立功能的模块 ， 并用不 同的模块组合 现模块化 可重构机器人系统的构型变化并快速建立运动学模型 ，
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★ 来稿 日期 ： ０ — ６ ２ － ２ ９０— ７ ｋ ０ 基金项目： 国家 ８ ３ ６ 计划资助项 目（０ ７ Ａ ４ ７ ３ ２ ０ Ａ ０ １０ ）
可重构的多自由度模块化机器人设计及问题探讨
可重构的多自由度模块化机器人设计及问题探讨发表时间：2020-05-08T08:40:57.881Z 来源：《科技新时代》2020年2期作者：李飞飞宋洁倪磊[导读] 模块化的设计可提高系统的柔性、可扩展性、可维护性和可交换性，在模块化机器人设计中受到广泛重视［1,2］。
迈赫机器人自动化股份有限公司摘要：可重构的多自由度模块化机器人采用模块化、标准化的关节设计，控制系统采用分布式控制方式。
模块化机器人柔性更好，可重构、柔性高。
模块化结构标准化，各模块能互相替换，组装快捷简便。
关键词：可重构机器人、模块化关节、自主建模。
0引言随着科技的进步，各种新型机器人产品研制成功并应用到实际的场景中去，模块化机器人得到了长足的发展，特别是机器人十三五产业规划的出台，已经将模块化机器人作为一个重点发展领域。
模块化的设计可提高系统的柔性、可扩展性、可维护性和可交换性，在模块化机器人设计中受到广泛重视［1,2］。
可重构模块化机器人系统由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配结构的模块以搭积木的方式构成，能构成不同自由度和构型的机器人系统，适用不同的任务需求，模块系统设计和基于模块的构型设计是达到这一目标的关键。
国内外纷纷展开可重构性的模块化机器人研究，卡内基梅隆（Carnegie Mellon）大学的可重构模块化机器臂系统RMMS［3］，转动关节由直流伺服电机加谐波驱动组成，采用快速连接机构进行模块之间的连接。
中国科学院沈阳自动化研究所的刘明尧、李斌等研究了基于多Agent可重构机器人的控制方法［4］，将集中式的机器人控制分配到一组关节Agent中，每个Agent控制机器人的一个关节，即将关节机器人的复杂控制转换为多个简单子系统的控制。
1模块化机器人设计中的问题1.1模块化机器人运动学、动力学自主快速建模机器人运动学与动力学的模型是实现机器人控制的前提，重构的机器人，其运动学与动力学模型也必须快速重建，才能完成所有的控制任务。
可重构机器人体系结构及模块化控制系统的实现
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。 中 国科 学 院 研 究 生 院 （ 北京
摘要
本 文提 出 了一 种 适 用 于新 型 可 重 构 星 球 机 器 人 的 模 块 化 控 制 系 统 ， 据 机 构 和 运 动 特 性 ， 于 Ｃ 根 基 ＡＮ 总线 和 分 布 式 控 制
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可重构模块化机器人pptx
为了实现机器人的更优性能，需要对动力学模型进行优 化，包括优化模型参数、减少计算复杂度等。
04
基于ROS的可重构模块化机器人软件系
统设计
ROS系统介绍
ROS发展史
简述ROS的起源、发展历程和 现状。
ROS基本概念
解释ROS的基本概念和重要术语 ，如节点、话题、服务、参数等 。
ROS特点
06
总结与展望
研究成果总结
已实现机器人单模块与多模块组合的硬件设计与实验 针对多模块组合的机器人运动协调控制进行了研究
完成了可重构模块化机器人的初步设计与实现 建立了基于ROS的机器人控制软件框架
研究不足与展望
1
现有的可重构模块化机器人尚存在一些不足之 处，例如：模块间通信不够稳定、缺乏有效的 全局路径规划算法等
当前，可重构模块化机器人的研究面临着 一些技术瓶颈和挑战。其中之一是模块之 间的连接和通信问题。由于可重构模块化 机器人的自由度和灵活性较高，因此需要 研究更加可靠、高效和安全的连接和通信 方式。
挑战
此外，可重构模块化机器人的感知和控制 问题也是一个亟待解决的挑战。由于机器 人在变构过程中需要适应不同的任务和环 境，因此需要研究更加精准的感知技术、 控制策略和操作算法。此外，还需要考虑 机器人在实际应用中的可靠性和安全性问 题。
运动学正解模型
已知机器人各关节变量值，求解末端执行器位置和姿态。
运动学模型精度校准
由于实际应用中可能存在误差，需要对运动学模型进行精度校 准，以提高机器人的运动精度。
可重构模块化机器人动力学建模
动力学建模基础
建立机器人的动力学模型，需要知道机器人各关节的驱 动力矩和阻力矩。
动力学模型求解
可重构模块化机器人系统关键技术研究共3篇
可重构模块化机器人系统关键技术研究共3篇可重构模块化机器人系统关键技术研究1可重构模块化机器人系统关键技术研究机器人技术是当今世界热门研究领域之一。
在工业、医疗、教育、服务等领域中，机器人技术正发挥着越来越重要的作用。
可重构模块化机器人系统是一种新型机器人系统，其具有模块化、可重构和自适应等特点，可以实现机器人的快速配置和灵活性控制。
本文将探讨可重构模块化机器人系统的关键技术及其应用。
一、模块化设计模块化设计是可重构模块化机器人系统的核心技术。
模块化设计实际上是系统工程的一种设计思想，即将整个系统划分为若干模块，通过模块间的接口进行耦合，从而实现系统的快速配置和灵活性控制。
在可重构模块化机器人系统中，模块化设计就是将机器人系统划分为若干功能模块，并通过模块接口进行耦合。
二、模块化控制模块化控制是可重构模块化机器人系统的另一关键技术。
模块化控制实际上是对各功能模块进行控制的过程，通过对控制器的设计和实现，实现各模块之间的交互和协作。
在可重构模块化机器人系统中，模块化控制就是控制器的设计和实现，使各个模块之间具有良好的交互和协作能力。
三、自适应控制自适应控制是可重构模块化机器人系统的另一关键技术。
自适应控制实际上是对系统进行实时控制并对其进行优化的过程，使系统能够自主地调整自身参数和控制策略，从而实现系统的稳定性和性能优化。
在可重构模块化机器人系统中，自适应控制就是通过对模块化系统进行在线监测和优化，使系统具有较高的稳定性和较优的性能。
四、应用研究可重构模块化机器人系统的应用研究正在逐步深入。
在工业领域，可重构模块化机器人系统广泛应用于生产线自动化和智能制造。
在医疗领域，可重构模块化机器人系统被应用于手术机器人和康复机器人。
在服务领域，可重构模块化机器人系统用于智能家居、智能餐厅和智能物流等方面。
可重构模块化机器人系统是机器人技术发展的重要方向之一。
随着人工智能、物联网、大数据和云计算等技术的不断发展和普及，可重构模块化机器人系统将会越来越重要。
一种可重构蛇形机器人的研究
与地面的摩擦系数特性。基于以上的思想，本样
收稿日期：&""&—",—"& 基金 项 目：国 家 -’% 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （&""!++#&&%’"）
万方数据
机在机构的底面刻有一定规律的条纹，来增加法 向和切向摩擦系数比。 !0# 柔性连接单元设计
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中国机械工程第 *8 卷第 *, 期 #//@ 年 . 月下半月
!"" 运动的实现 蛇的运动模式是有选择的，因为它通常针对
特定的环境显得十分有效。根据蛇形机器人平面
和空间运动学模型，本样机实现了自然界中蛇的
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图 # 蛇形机器人典型运动方式的实现
（(）蜿蜒运动 蛇形机器人的蜿蜒运动（见图
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间的扭转作用产生。目前此类蛇形机器人的代表 !，主要由固定板、智能控制单元、活动板、仿蛇皮
机构有柔性关节单元蛇形机构及二自由度模块组 底面、连接板组成。固定板、活动板、连接板材料
成的蛇形机器人机构［#，(］。
为铝合金。智能控制单元由一个控制板和一个直
模块可重构机器人由许多模块组成，这些模 流伺服电机组成，整个单元安装在固定板上，活动
播频率是水平面内波传播频率的二倍时，侧向运 动的速度和切向运动速度基本相等，最大速度可 达 !+!# - . /。
0 结论
本文提出的新型的可重构蛇形机器人机构具 有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于 蛇腹鳞摩擦特性的机构底部；手动可重构，当单自 由度关节轴线互相平行连接时，该机构可进行平 面运动，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形 成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行三 维空间运动。建立了该蛇形机器人平面和空间运 动学模型，并实现了平面蜿蜒运动、直线运动和伸 缩运动，以及空间侧向蜿蜒运动等。
机器人可重构性设计及运动学控制
机器人可重构性设计及运动学控制随着机器人应用的不断扩大，其可重构性设计及运动学控制的研究也越来越受到关注。
机器人的可重构性是指机器人可以通过改变其结构以适应不同的任务和环境。
而运动学控制则是指控制机器人的运动学参数，使机器人能够完成特定的任务。
本文将介绍机器人的可重构性设计及运动学控制的相关研究进展。
一、机器人可重构性设计机器人可重构性设计是指机器人可以通过改变其结构以适应不同的任务和环境。
这种设计可以使机器人具有更大的灵活性和适应性，同时也可以降低机器人的使用成本。
目前，机器人的可重构性设计主要包括以下几种方式：1. 模块化设计模块化设计是指将机器人分成多个模块，每个模块都具有特定的功能，可以通过组合来实现不同的任务。
这种设计可以使机器人的结构更加灵活，同时也可以降低机器人的使用成本。
2. 可变形机器人可变形机器人是指机器人可以通过改变其形态来适应不同的任务和环境。
这种设计可以使机器人具有更大的适应性，同时也可以降低机器人的使用成本。
3. 变换机器人变换机器人是指机器人可以通过改变其结构和形态来适应不同的任务和环境。
这种设计可以使机器人具有更大的灵活性和适应性，同时也可以降低机器人的使用成本。
二、机器人运动学控制机器人运动学控制是指控制机器人的运动学参数，使机器人能够完成特定的任务。
机器人的运动学参数包括位置、速度、加速度和朝向等。
常用的机器人运动学控制方法包括以下几种：1. 逆运动学逆运动学是指通过已知的机器人末端的位置和朝向，来计算机器人各关节的角度。
这种方法适用于一些特定的机器人任务，比如对物体进行精确的定位。
2. 正运动学正运动学是指通过已知机器人各关节的角度，来计算机器人末端的位置和朝向。
这种方法适用于机器人进行自主导航、运动规划等任务。
3. 控制方法控制方法包括PID控制、模型预测控制等。
这些控制方法可以用来控制机器人的运动学参数，使机器人能够完成特定的任务。
三、机器人可重构性设计与运动学控制的应用机器人的可重构性设计和运动学控制可以应用于各种领域，比如机器人制造、航空航天、医疗卫生等。
可重构模块化机器人正运动学建模
中图分 类号 ：Ｈ１２ 文献 标 识码 ： Ｔ １ Ａ
关键 词 ： 重构 ； 化机 器人 ； 可 模块 变换矩 阵 ； 正运 动学
【 ｂｔ ｃ］ｏｅ ａｌｈｔ ｉ ｍ ｔ ａ ｍ ｄｌ ｒｃ ｒ ｏ ｏｕ ｓ ｄ ｌ ｂｔ Ｗ Ｓ ｔ － Ａ ｓ ａｔＴ ｔ ｉ ｅ ｎ ａ ｃｌ ｏ ｅ， ｅ ｔ ｔ ｅ ｆｍ ｄｌ ｍ ｕ ｒ ｏｏ ａ ｓ ｄ ｒ ｓ ｂｓ ｈ ｋ ｅ ｉ ｔ ｓｕ ｕ ｅ ｏｏ ａ ｒ ｓ ｕ ｆ
ｆｒ ａｄｋｎ ｍａｉ ｑ ａｉ ｅ Ｔａｓｏｍａ ｏ ａｒ ｅｅｙｍ ｄ ｌ ｉ ｃ ａ ｇ ｄａ ｃｒｉｇｔ ｔ ｅｏ ｏｗ ｒ ｉ ｅ ｔ ｓｅ ｕｔ ｎｉ ｇ ｔ ｒｎ ｒ ｔ ｎｍ ｔ ｏ ｖ ｒ ｕｅ ｓ ｈ ｎ ｅ ｃ ｏｄｎ ｐ ｃ ｏ ｓ ． ｆ ｉ ｘ ｉｆ ｏ ｏｙ ｆ
可重构模块化机器人是 由一套具有各种尺寸和性能特征的 可交换的模块组成 ， 通过对模块进行不同的组合就能装配 出各 种
＝
ｚ ｇ ） （ … ， ｇ） （ ｇ） （
不同构形 的机器人来适应不同的工作需要 。 可重构模块化机器人
ｌｚ ｌ
ｉ ｌ ＝
的构形空 间的大小随着所设计的模块类型的数量和 自由度的增 加而成倍数增加 ，如何根据所设计的模块装 配成的可重 构模 块 化机器人建立运动学模型已引起许多研究者 的兴趣。 本文是针对 所设计 的七种模块装配出的可重构模块化 机器人建 立了正运 动 学分析的模型。 正运动学模 型的建立是采用运动旋量 的指数乘积
可重构模块化机器人
未来发展方向与展望
未来发展方向
研究内容和组织结构
研究内容
本文将围绕可重构模块化机器人的设计、控制、重构和感知等方面展开详细论述 ，同时探讨其在实际应用中的优势和局限性。
组织结构
本文将按照引言、相关工作、可重构模块化机器人的设计、控制、重构和感知、 实验验证和结论等章节进行组织。
CHAPTER 02
可重构模块化机器人概述
可重构模块化机器人概述
路径规划
根据任务需求，规划机器人的运 动路径，实现最优路径搜索。
运动优化
对机器人的运动进行优化，提高 机器人的运动效率和平稳性。
自主导航与遥控技术
自主导航技术
利用多种传感器和算法实现机 器人的自主导航，包括定位、
建图、路径规划等。
遥控技术
通过无线通信技术实现对机器人的 远程操控，包括指令发送、状态获 取等。
CHAPTER 06
结论与展望
研究成果总结与评价
要点一
研究成果总结
可重构模块化机器人是一种具有高度柔性和适应性的 机器人，通过模块化的设计，可以实现多种功能和应 用。在研究中，我们成功地开发出了一种基于微控制 器和蓝牙通信技术的可重构机器人平台，并对其进行 了实验验证。实验结果表明，该机器人平台具有良好 的稳定性和可扩展性，可以适应多种不同的任务需求 。
意义阐述
可重构模块化机器人的研究和应用，有助于提高机器人的适应能力和灵活性， 以更好地应对不断变化的工作环境和任务需求。
模块化可重构式爬升机构的设计[1]
![模块化可重构式爬升机构的设计[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/4077de712a160b4e767f5acfa1c7aa00b52a9d34.png)
模块化可重构式爬升机构的设计[1]摘要：本文针对楼梯清扫机器人中的爬升系统进行设计，提出了一种模块化可重构式的爬升模式，主要由前、后辅助爬升模块和扫拖模块组成，以丝杠升降机构带动三大模块实现楼梯的攀爬。
关键词：模块化可重构；爬升机构；控制系统目前在清洁领域中，扫地机器人仅限于平面清洁，无法进行纵向楼梯作业[1]。
姚兴田[2]等通过升降式机构和伸缩机构实现机器的水平移动与攀爬。
本文在主清扫模块的基础上，通过增设前、后辅助爬升模块，并由丝杠升降机构来驱动爬升模块，为纵向清扫作业提供可行性方案。
1 爬升方案的设计爬升方案的设计简图与工作原理如图1所示，主要由前辅助爬升模块、主清扫模块、后辅助爬升模块组成，由丝杆升降爬升机构带动。
工作时，前辅助爬升机构先升起，带动整机向前运动，随后前辅助爬升机构提供支撑，主清扫模块进行垂直方向上的爬升，爬升到合适的高度后，整机向前运动到合适位置时，后方的辅助爬升机构再升起，以完成一级楼梯的攀爬，重复上述过程完成更多级楼梯的爬升。
图1爬升方案设计简图与工作原理图2 爬升机构的设计由丝杠升降机构实现爬升功能，如图2所示。
通过步进电机带动蜗杆传动，使蜗轮旋转，蜗轮中心是内螺纹结构，相当于升降丝杆的螺母，和升降丝杆相匹配，与丝杆配合，蜗轮旋转带动丝杆正转和反转，使前后辅助爬升机构能够上升和下降。
图2丝杠升降爬升机构3 爬升控制系统的设计爬升系统采用PLC控制。
主板选用西门子CPU 1212C DC/DC/DC系列中的6ES7 212-1AE40-0XB0。
将AIVITM3D视觉识别与激光SLAM融合，以三维深度传感器和激光雷达传感器来深度认识空间。
搭载APQ8053芯片计算传感器采集图像的差异，精准识别台阶、地台等标志性区域类型、距离及大小。
上下清扫时，通过光学传感器和位置传感器识别自身的位置高度和动作姿态，并将信号传输至可编程控制器与单片机，以此控制爬升高度参数，实现纵向稳步爬升。
可重构模块化工业机器人构形及其静力学分析
能分析 相 结合 的 方法 ， 完成 ５ｋ ０ ｇ负载 工业机 器人本体 的构建 ， 实现 了工业机 器人 的可重构化 。 关键 词 ： 可重构 ； 模块化 ； 机器 人 ；ｏｉｗ ｒｓＡ Ｓ ｓ ｌ ｏｋ ； Ｎ ＹＳ ｄ 【 ｂｔａｔ ｅｏ ｇｒｂｅｍ ｄ ｌ ｄｓｒ ｌ ｏｏ ｓａｎｗ ｒｓａｃ ｉ ｃｉ ｒ ｅ ｅｅｔ Ａ ｓ ｃ】Ｒ ｃｎ ｕａｌ ｏ ｕａ ｉ ｕｔａ ｒｂｔ ｉ ｅ ｙｎ
刘 爽 殷国富 李雪琴 周晓军 （四川大学 制造科学与工程学院 ， ’ 成都 ６０ ６ ） ｚ １０５ （成都广泰实业有限公司， 成都 ６０ ６ ） １１５
Ｃｏ ｆ ｒ ｔ ｎ ｏ ｎ ｕ ｔｉＩ ｏ ｏ ｓ ｂ ｓ ｄ Ｏ ｅ Ｏ ｆ ｕ ａ Ｉ ｎ ｉ ａ ｉ ｆｉｄ ｓ ｒ ｂ ｔ ａ ｅ ｎ ｒ ｃ ｎ ｉ ｒ ｂｅ ｇｕ ｏ ａ ｒ ａ
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ｍＯ ｕａｒ ａ ｉｎ ａｎ ｓ ｓａ ｉｓａｎ ｌｓｓ ｄ Ｉ ｉ ｔ ｄ ｉ ｔ ｔ ａｙ ｉ ｚ Ｏ ｔ ｃ
Ｌ Ｕ Ｓ ｕ ｎ ＹＩ ｏ ｆ Ｌ ｅ ｑ ｎ ， ＨＯＵ Ｘｉｏ ｉＨ Ｉ ｈ ａ ｇ ， Ｎ Ｇｕ —ｕ 。 Ｉ Ｘｕ — ｉ Ｚ ａ －Ｈ
第 １ 期 １ ２１年 １ ０１ １月
文章编号 ：０ １３ ９ （０ ） ０ ０ — ２ １０ — ９ ７ ２ １ １－ ２５ ０ １ １
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅ ｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ ２０ ５
工业机器人实训平台模块化可重构硬件系统研究
系列的研究ꎬ贾松敏等于 ２０１６ 年首次将模块划分技术应
用在机器人构造领域 [３] ꎮ
其次ꎬ从机械结构层、电气硬件层、嵌入式控制层展开模
０ 引言
目前ꎬ市场上常见的教育机器人受其构形限制ꎬ仅能
完成单种教学任务ꎬ无法满足学生对机器人系统的组成、
块化、可重构设计ꎬ实现基础底层的快速重构ꎮ ＰＩＲＡＮＦＡ Ｓ
特征向量并对其进行归一化处理ꎮ
组合形成任务需求的新工装位置ꎻ夹具库子模块涵盖了所
关系不明确
联系紧密
１
求的工装位置ꎬ且可通过两个旋转工装子模块中的工装位
成各子模块的连接 [７] ꎮ
,33
D=
ú
Ｒ２ ｍ ú
ú
Ｒ４ ｍ ú
１
ú
１ úû
在构造关系矩阵进行判断时ꎬ由于构造过程中带有的
设计的基础ꎬ模块相对独立性是模块划分的基本要求ꎬ需
器人实训平台进行模块划分ꎬ得到最佳模块划分方案如
要将完成某一特定任务的实训平台划分为不可再分的基
本模块ꎬ这是一个粒度划分和模糊聚类的过程ꎮ 传统意义
的模块划分主要从功能相关性、装配相关性、空间相关性、
表 ２ 所示ꎮ
表 ２ 实训平台模块划分表
信息相关性四个方面进行划分 [６] :
硬件系统展开模块化可重构设计ꎬ实现基础底层的快速重构ꎮ 底层硬件系统的模块化可重构
设计为上位机可重构软件系统的开发奠定基础ꎬ为实现工业机器人实训平台的快速重构功能
提供技术基础ꎮ
关键词:工业机器人ꎻ实训平台ꎻ模块化可重构ꎻ硬件系统
中图分类号:ＴＰ２４２.２ 文献标志码:Ａ 文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０５￣０１４９￣０３
可重构机器人研究和发展现状
2000年12月 沈阳工业学院学报 V o l.19N o.4第19卷第4期 JOU RNAL O F SH EN YAN G I N ST ITU T E O F T ECHNOLO GY D ec.2000文章编号:1003-1251(2000)04-0069-04可重构机器人研究和发展现状李 斌1,董慧颖2,白 雪3(1.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳110015;2.沈阳工业学院;3.沈阳辰宇安装有限公司) 摘 要:分析了可重构机器人研究和发展现状,对有代表性的可重构机器人作了较详细的介绍,根据可重构机器人的应用背景,指出了可重构机器人研究的必要性.关键词:可重构;机器人;模块化中图分类号:T P13 文献标识码:A机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高,机器人应用的领域和范围正在不断扩展,人们希望机器人能完成更加复杂的任务.通过重新编程,机器人能很容易地完成许多不同的任务,然而一台机器人能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制.对于给定任务,可以根据任务要求来选择机器人的最佳结构,如喷漆或焊接作业,一般采用垂直关节结构的机械手,而对于高精度的桌面精密装配作业,则采用水平SCA RA结构的机械手.对于一些不可预知的作业任务或不断变化的作业,就无法选择机器人的最佳结构,需要应用许多具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成作业任务,这种做法往往耗资巨大,甚至于不可行.例如,空间站上许多工作需要机器人来完成,由于重量的限制,不可能将所有的机器人都发射到空间站中.因此,需要使用一种能根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务.可重构机器人的研究正是在此类应用背景下开始的.可重构机器人是一种能根据任务需要,重新组合构型的机器人,它是在模块化机器人研究基础上发展起来的.可重构机器人就是利用一些不同尺寸和性能的可互换的连杆和关节模块,象搭积木似地组合成特定构型的机器人,这种组合并不是简单的机械重构,还包括控制系统(电子硬件、控制算法、软件等)的重构,因为模块关节本身就是一种集通讯、控制、驱动、传动一体化的单元.1 典型的可重构机器人1988年美国卡纳基梅隆大学机器人研究所研制出一种可重构的模块化机械手系统(简称RMM S),笔者认为RMM S是第一台可重构机器人的原理性样机[1],RMM S在系统设计上扩收稿日期:2000-09-15作者简介:李斌(1963—),男,广东兴宁人,副研究员.展了当时模块化机械手的概念[2],不仅实现了机械结构的可重构,而且从电子硬件、控制算法、软件等方面实现了可重构.RMM S 原型样机包括六个关节模块、六个连杆模块和一台由具有实时能力的计算机组成的控制器.在原型样机基础上,Kho sla 等又做了进一步的研究工作[3～5],通过机械结构、软件算法、通讯系统等方面的改进,于1996年研制出了新型RMM S [6],如图1所示.(a )RMM S 样机(b )RMM S 关节(c )RMM S 连接模块图1 可重构的模块化机械手系统RMM S 样机及关节随着可重构机器人研究工作的开展,一些关于可重构机器人的新思想和研究成果也不断产生.1988年,在日本东京科学大学,Fukuda 等从概念的角度提出了一种新的机器人系统——动力可重构机器人系统(DRR S )[7],DRR S 由许多具有基本机械功能的智能“细胞”组成,每个“细胞”能根据任务自动地与其它“细胞”分离和组合,构成机械手或移动机器人,甚至于系统能自修理.这种基于“细胞”结构的DRR S 的概念是为下一代机器人系统提出的.在此基础上,Fukuda 等又开展了进一步的研究工作[8].1990年,在名古屋大学,Fukuda 等研制出一种新的机器人系统——细胞机器人系统(CEBO T )[9].CEBO T 由多个独立自治的称为“细胞”的单元组成,是一个分布式机器人系统,它能根据目的和环境将自己重构成最佳结构.针对CEBO T 的研究工作一直在继续[10].1994年,美国John s Hop k in s 大学的Grego ry 以概念的角度提出一种变形机器人系统[11],应该说这是一种新的可重构机器人系统,虽然这个系统也是由许多独立控制的机械模块组成,每个模块具有连接、断开、爬越相邻模块的能力,但是其变形是在组成系统的模块保持连接后进行,并且能自重构.目前已研制出原理性样机[12].日产通商产业省工业技术院机械技术研究所也在开展可重构机器人的研究工作.1994年M u rate 等提出并研制出一种自安装机械系统[13],由多个相同的可重构的装置组成,其特点是(1)可实现系统的容错;(2)对环境有较高的适应能力;(3)有利于产品化.1999年M u rate 等提出了一个三维可重构的结构[14].1999年又研制出了一种使用形状记忆合金的可自重构系统,这种系统能用一组独立的机械装置构成不同形状,是一个三维可自重构系统.美国D artm ou th 学院也在开展可自重构机器人的研究工作,1998年Ko tay 等提出了一个由机器人分子组成的可自重构机器人[15],这种机器人能自动地重构成各种最佳形状,以适应96第4期 李 斌等:可重构机器人研究和发展现状07沈阳工业学院学报 2000年不同的地形、环境和任务,例如聚集成蛇形通过一个管道,重构成六足机器人通过起伏地带,再改变形状和步伐爬上楼梯进入建筑物.1999年D an iela R u s等又提出了一种由晶体结构“分子”组成的可自重构机器人系统[16],晶体结构“分子”能聚集在一起,形成一个分布式机器人系统.晶体结构“分子”通过扩张和收缩,进行相对于其它“分子”的运动,这种机构允许自动地变形.新加坡南洋理工大学[17]、日本北海道大学[18]、美国R en sselaer Po lytechn ic学院[19]等科研机构也在开展可重构机器人的控制方法研究.可重构机器人的研究并没有局限于方法研究,一些研究成果已经在应用.例如,日本日立公司研制出的用于核电站维修的可重构机械手系统[20];日本索尼公司利用可重构机器人技术研制出的可变形玩具[21],目前已商品化.可重构机器人的种类很多,如可重构的机械手、可重构的步行机器人、可重构的并联机器人、可重构的娱乐机器人、可自重构的机器人等.归纳起来主要有三种类型的可重构机器人,第一类是需要外界参与才能进行重构的机器人,如可重构的模块化机械手系统(简称RMM S)[1];第二类是通过独立的模块自主地进行构型的可自重构机器人,如细胞机器人系统(CEBO T)[9];第三类是变形机器人,如文献[11]介绍的变形机器人系统.2 可重构机器人的主要研究内容可重构机器人研究的内容很多,归纳起来主要有以下几方面内容:1)可重构机器人的构型研究可重构模块化机器人构形设计的目的就是如何找到一个最优的装配构形来完成给定的工作.可重构模块化机器人构形设计的方法主要考虑以下三个问题:首先要确定构形的表达方法;其次就是确定构形的评价标准;最后采用适当的优化方法确定满足给定任务的最优构形.2)模块(最小组成单元)的研究模块是可重构机器人的组成单元,种类很多,功能各异,其共同点如下:・模块应满足可重构机器人的构型需要;・模块应具有规划、推理、决策能力;・模块应具有通讯、协商能力;・模块应具有完成特定运动和动作的驱动能力;・每个模块在满足要求的条件下应具有最小重量和最小惯性;・每个模块可以快速连接到任意其它的模块上.3)可重构机器人的运动学、动力学和控制策略的研究随着可重构机器人构形的变化,其运动学和动力学模型也在变化,传统的机器人运动学、动力学求解方法已不适合,必须探索新的方法.4)可重构机器人系统的实现方法等研究通过这些研究,使机器人增加以“不变的系统”应“万变的任务”的能力,扩展机器人的应用空间.3 结束语可重构机器人已经成为机器人发展的一个新方向.一方面,从研究的角度看,传统的基于传感器自治的概念已经扩展到基于构型自治.不难想象,尽管传统的机器人具有各种传感及规划信息,但当给定任务超出其自身的机构物理特性时,它将很难(或无法)完成给定的任务.而可重构机器人则可基于指定的任务,快速重构成具有适应任务的物理能力的构型,再附之以可重构的传感器、规划策略,去自主的完成任务.因此,可重构机器人的研究已经成为智能机器人研究的一个新的发展方向.目前,国外在可重构机器人研究的基础上又开始了可自重构机器人的研究工作.另一方面,从应用的角度看,国外利用可重构机器人技术,已经研制出具有不同应用背景的可重构机器人样机,许多领域正在(或已经)开始应用,例如用于核电站维护、修理任务的可重构机械手.同样,我国在相应的领域内也需要可重构机器人.因此,可重构机器人的研究在军事、航天、核工业等领域具有广阔的应用前景.自八十年代末以来,可重构机器人的研究受到普遍关注.近年来,在IEEE R &A 、I RO S 等著名的国际机器人学术会议都有可重构机器人的专题.国内可重构机器人的研究工作还处于探索性阶段[22],国内相关的科研单位和学者应密切关注世界各国可重构机器人研究的发展趋向.参考文献:[1]Schm itz Donald ,Kho sla P radeep ,Kanade T akeo .T he CM U reconfigurable modular m ani pulao r system [C ].P roceedings of the Internati onal Sympo sium and Expo siti on on Robo ts .1988,4732488.[2]W urst K H .T he concep ti on and constructi on of a modular robo t system [C ].P roceedings of the 162th Internati onal Sympo sium on industrial Robo tics .IS I R ,1986,37244.[3]K i m J O ,Kho sla P K .A m ulti 2populati on genetic algo rithm and its app licati on to design of m ani pulato rs [C ].P roceedings of the 1992IEEE Internati onal Conference on Intelligent Robo ts and System s .1992,1:2792286.[4]Stew art D B ,Kho sla P K .R ap id developm ent of robo tic app licati ons using component 2based real 2ti m e softw are [C ].P roceedings of the 1995IEEE Internati onal Conference on Intelligent Robo ts and System s .1995,1:4652470.[5]Paredis C J J,Kho sla P K.K inem atic design of serial lind m ani pulato rs from task specificati ons[J ].Int .J.Robo t .R es .1993,12(3):2742286.[6]Paredis C J J ,Benjam in B row n H ,Kho sla P K .A rap idly dep loyable m ani pulato r system [J ].Robo tics and A utonomous System s .1997,21:2892304.[7]Fukuda To sh i o ,N akagaw a Seiya .D ynam ically reconfigurable robo tic system [C ].P roceedings IEEE conference on Robo tics and A utom ati on .1988,3:158121586.[8]Fukuda T ,N akagaw a S ,Kaw auch i Y .Self o rganizing robo ts based on cell structures 2CEBO T [C ].P roceedings of theIEEE Internati onal Conference on Intelligent Robo ts and System s .1988,1452150.[9]Fukuda To sh i o ,Kaw auch i Yo sh i o .Cellular robo tic system (CEBO T )as one of the realizati on of self 2o rganizingintelligent universal m ani pulato r[C ].P roceedings IEEE conference on Robo tics and A utom ati on .1990,6622667.[10]Kaw auch i .D ynam ically reconfigurable intelligent system of cellular robo tic system (CEBO T )w ith rntropy m in nax hybrid algo rithm [C ].P roceedings IEEE conference on Robo tics and A utom ati on .1994,4642469.[11]Grego ry .K inem atics of a m etamo rph ic robo tic system [C ].P roceedings IEEE conference on Robo tics and A utom ati on .17第4期 李 斌等:可重构机器人研究和发展现状27沈阳工业学院学报 2000年1994,4492455.[12]H ttp: robo tics.m .[13]M urata Sato sh i,Kurokaw a H aruh isa,Kokaji Sh igeru.Self2assem bling m ach ine[C].P roceedings IEEE conference onRobo tics and A utom ti on.1994,4412448.[14]Yo sh ida E iich i,Kokaji Sh igeru,M urata Sato sh i.M iniaturized self2reconfigurable system using shape m emo ry alloy[C].P roceedings IEEE conference on Robo tics and A utom ati on.1999,157921585.[15]Ko tay Keith,R us D aniela,V ona M arsette.T he self2reconfiguring robo tic mo lecule[C].P roceedings IEEE conference onRobo tics and A utom ati on.1998,4242431.[16]R us D aniela,V ona M arsette.Self2reconfigurati on p lanning w ith comp ressible nnit modules[C].P roceedings IEEEconference on Robo tics and A utom ati on.1999,251322520.[17]H ttp: .sg hom 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situati on of develop ing fo r reconfigu rab le robo t are resum ed.T he typ ically reconfigu rab le robo t is in stroduced in detail.A cco rding to the background of app licati on fo r reconfigu rab le robo t,the necessity of the research fo r reconfigu rab le robo t is po in ted ou t.Key words:reconfigu rab le;robo t;m odu lar。
国外机器人的研究现状
国外机器人的研究现状1 仿生机器人与新型机构对人的研究，国外侧重于对人行走时的步态分析，通过对人脚形状的分析，得出具有圆形截面的脚趾和脚后跟以及具有扁平截面的连接脚趾和脚后跟的中间部分具有最佳的动力学性能。
对人形机器人步态规划问题，Xia Zeyang 等人提出了一种基于样品的决定性的脚步规划方法，该方法综合考虑了自身独特的运动能力和稳定性。
对于在不同类型障碍的复杂环境中脚步规划，Yasar Ayaz 采用与人走近障碍物时绕过的方法，通过脚步实时的生成成功避开障碍物。
此外，对于双足步行机器人的复杂地面运动的研究也有新的进展，研究出一种新型的双足机构，能实现不平区域稳定地行走，该足由 4 个分别带光学传感器的鞋钉组成，总重1.5 kg。
对动物的研究则表现为对诸如蛇、鱼的结构以及运动性能的研究。
仿蛇机器人不仅可以作为管道检测装置，也可以作为地震或矿难探索装置，更可以当作极地探测器来进行科研活动。
Shigeo 和HiroyaYamada 就将仿蛇机器人的机械结构分为5 种类型：活动的弯曲关节式；活动的弯曲和拉伸关节式；活动的弯曲关节和活动的车轮式；被动弯曲关节和活动车轮式；活动的弯曲关节和履带式。
Aksel Andreas Transeth 等采用摩擦力模型方法建立了一蛇形机器人模型，该机器人能与包括地面的障碍物以外的物体接触，对地震或矿区救援很有帮助。
Kristin Y.Pettersen 等人对蛇形机器人在存在障碍物环境中运动进行了复合建模，仿真结构证明该模型能实现不规则环境中的一般运动。
但蛇形机器人目前要真正达到在复杂环境中畅通无阻地运动，还有待进一步研究。
对海洋的开发，相对于其它的水下自动化装置，仿生鱼具有更好的推进力和流体适应性。
其研究主要体现在结构和运动特性上。
JunGao 和K.H.Low 等人对胸鳍驱动和尾鳍驱动鱼形机器人进行了分析，讨论了鱼结构和运动各参数的关系。
Yu Zhong 等人对由阀体与尾鳍构成的机器人鱼的运动性能进行了研究，采用量纲分析方法，建立了一种能预测运动的机器鱼模型。
Power Cube五自由度模块机器人运动学正解分析
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其中 ， ， ，４Ｃ 分别表示 ｓ ，ｉ ，ｏ以，Ｏ０。 ｓ ｓ Ｃ ，５ ４５ ｉ ｓ ｃｓ ＣＳ５ ｎ ｎ （ 下转第 １４页） ５
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１ 机器 人构型 设计 与结 构参 数 的描述
机 Ｌ０ ０ ０ １Ｊ 器 人
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ｌ
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节模块及连杆模 块 ，可 以组装 一个 ５自由度 的模 块化 、串
联关节式 的 可重 构 机器 人 （ 中末 端 是 一个 可转 动 的 夹 其
２ 运 动学 正解 方程 的建 立
将 各 关 节 处 的变 换 矩 阵相 乘 ， 到 机 器 人 总 变 换 矩 阵 ： 得
具） 。这种机器人是生产 线上 的一种 典型 而实用 的操作 手 。
现在就以它为研究对象 ，建立机器人的运动学方程 。 Ｄ ｎｖｔ Ｈ ｒ ｎ ｅｇ曾提 出 了一种 为机 器人 中每 一个 ｅ ａｉ和 ａｔ ｂｒ ｅ 杆件建立附 加坐 标 系 的规 范方 法 ，即 Ｄ—Ｈ方 法 。于 是 ，
魏 诚
（ 中国 四川 国际合 作股 份有 限公 司 ，四川 成都
摘 要 ：本 文针 对 一 个 五 自由度 的 模 块 机 器 人 进 行 了
可重构模块化机器人
由PowerCube模块构成的6 自由度构型的三种形式
国外可重构模块化 机器人研究现状
美国的Robotics Research 公司设 计了系列化的关 节模块，可组装 成不同尺寸，不 同载荷的7-DOF 灵巧机器人臂。 系统模块分为侧 滚和俯仰和末端 带执行器机械接 口的旋转关节。
模块系 列 不同尺 寸配置
基于多Agent的机械臂控制中，赋予各关节 Agent具有以下能力: ①AgentAj仅可以控制一个事先指定的自身关 节变量θj(j= 1, 2,…n) ②已知角杆长Lj以及前一时刻的关节角变量 θj(j= 1, 2,…n)的数值 ③可通过传感器获取末端执行器E和目标点T的 位置以及它们之间的距离 ④可通过评价末端执行器E和目标点T的相对定 位来获取任务的完成情况 ⑤AgentAj可按照自己独立完成目标任务的策 略来控制关节角θj(j= 1, 2,…n)的动作 每个Agent只按照自己对任务的贡献去实施自 己的行为策略。对一个Agent而言,它事先并不 知道末端执行器的轨迹,因为末端执行器的运 动是由多个Agent在某一时刻同时动作后的综 合结果
模块化关节构型
改变连接件形 状 改变关节构型
改变关节组合方式 改变构型 增加摆动关节 增加构型
移动关节将电机 的转动用螺旋副 转化为沿其自身 轴线的往复移动
标准 构型
模块化关节构型
d i 1
逻辑位形图
D-H参数表
i 1 2 0 0 0 -90 0 137.5 0 -90
3
4 5 6
425
393 0 0
• 中国科学院沈阳自动化研究所的刘明尧，李斌等研究了基于多Agent可重构机器人的控制 方法，将关节机器人的复杂控制转换为多个简单子系统的控制 • 东北大学的李树军、张艳丽等对可重构模块化机器人模块的结构进行了研究，并归纳设计 出3 种1 自由度的关节模块，2 种连杆模块和2 种辅助模块共7 种功能模块 • 北京邮电大学和北京工业大学利用PowerCube模块，进行了可重构机器人系统的研究 • 中国科学院沈阳自动化研究所基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统 (Reconfigurable planetary robot system, RPRS)，还提出了一种模块可重构、自动变形的链式 可重构模块机器人平台
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机 械 设 计 与 制 造
１ ２２
文 章 编 号 ：０ １ ３ ９ （ ０２）０ ０ ２ — ３ １０ — ９ ７ ２ １ １ — １ ２ ０
Ｍａ ｈｉｅ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ
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第ｌ ０期 ２１ ０ ２年 １ ０月
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种 可重构模 块化机 器人 系统的运动 学研 究 木
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【 要】 摘 介绍了 一种可重构模块化机器人系 进行了 统， 基于指数积法的模块化机器人的运动学 ｉ 研
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高文斌 １ 王洪光 潘新安 １ ， ２ ， ２
（． １中国科 学院 沈 阳 自动化研究所 机器人学 重点实验 室 ， 阳 １０ １ ；冲 国科学 院 研 究生 院 ， 京 １０４ ） 沈 １０６２ 北 ００ ９
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