模块化机器人设计

模块化机器人设计
摘要
如今，机器人的发展突飞猛进，机器人服务已经覆盖了人们生活、工作、娱乐的方方方面。

随着人类的需求的不断增加，对机器人领域的探索也越走越远，机器人模块化技术已在各个领域的产品研究和开发中广泛应用。

于传统机器人相对比，模块化机器人柔性更好，自修复能力强柔性高，且容错性强、成本较低。

模块化结构较简单，便于加工，各模块能互相替换，组装快捷简便。

由于模块化机器人结构和功能的可重组性，对任务和环境有很强的适应能力。

采用模块化技术，有利于机器人的维护和保养，缩短了机器人设计的时间。

因此，本文将采用模块化的方法开发一种新机器人系统，希望有利于改善目前机器人控制复杂、通用性差和操作繁琐等问题。

本文一共分为六个部分，第一部分绪论主要概括模块化机器人的研究背景、意义和国内外模块化机器人研究现状，第二部分探讨了机器人模块化的设计原理和方法，第三部分主要讨论了机器人控制系统设计，第四部分分析机器人主从控制策略。

第五部分概述了机器人构型，最后进行了小结。

关键词：机器人；模块化；系统设计；构型
Nowadays, the development of robots is advancing by leaps and bounds. Robot service has covered all aspects of people's life, work and entertainment. With the increasing demand of human beings, the exploration of robot field is more and more far away. Robot modularization technology has been widely used in product research and development in various fields. Compared with the traditional robot, modular robot is more flexible, self repairing ability, high flexibility, and good fault tolerance and low cost. The modular structure is simple, easy to process, each module can replace each other, and the assembly is quick and easy. Because of the reconfiguration of modular robot structure and function, it has a strong adaptability to task and environment. Modular technology is beneficial to the maintenance and maintenance of robots, and shortens the time of robot design. Therefore, this paper will use modular method to develop a new robot system, in the hope of improving the complexity of robot control, low universality and tedious operation. This paper is divided into six parts, the first part is the introduction mainly summarizes the modular robot research background, significance and research status quo of inside and outside of the modular robot, the second part discusses the design principle and method of modular robot, the third part mainly discusses the design of robot control system, the fourth part of the analysis of the master-slave robot control strategy. In the fifth part, the configuration of robot is summarized, and finally a brief summary is made.
Key words: robot; modularization; system design; configuration
摘要 (1)
Abstract (2)
第一章绪论 (4)
1.1研究背景及意义 (4)
1.2国内外研究现状 (4)
第二章机器人模块化设计原理及设计方法 (5)
2.1模块的划分 (5)
2.1.1模块化思想概述 (5)
2.1.2模块划分原理 (6)
2.2模块化设计方法 (6)
2.3随遇平衡的实现 (6)
2.3主机器人模块 (8)
2.3.1 I模块 (8)
2.3.2 T模块 (9)
2.3.3 应用模块化方法的效果 (10)
3.1控制系统硬件设计 (10)
3.2单片机最小系统模块 (11)
3.3 CAN通信模块设计 (11)
3.4控制器设计 (12)
第四章机器人主从控制策略 (12)
4.1从机器人系统搭建 (12)
4.2同构型主从控制策略 (13)
4.3镜像同构型主从控制策略 (14)
第五章机器人构型 (16)
第六章结论 (18)
参考文献 (19)
第一章绪论
1.1研究背景及意义
机器人结构不同，通用性也不一样。

研究模块化机器人的意义，主要是为了改善机器人的通用性，因此要设计出改变构型后能完成任务的机器人。

模块化机器人可以在不同的任务要求、工作环境下，通过改变自身仅有的几种模块的连接顺序或方式而获得多种不同构型的机器人系统。

这些不同的构型之间可以通过简单地改变模块之间连接顺序就可以相互转化。

这种组合并不是简单的机械装配，参与的各个模块都是一种集通信、控制、驱动和传动为一体的单元，使组合成的系统满足不同的工作环境或不同的任务要求。

相比传统机器人，模块化机器人具有柔性高、容错性强和自修复能力强、成本低等优点。

模块化结构简单，易于加工，各模块之间可以相互替换，实现快速组装。

因此，本文将采用模块化的方法研究开发一种新型主机器人系统，以解决目前主机器人通用性差、控制复杂和操作不直观等主要问题。

1.2国内外研究现状
国内外学者在模块化机器人方面的研究成果较丰富，尤其是国外，很多机器人系统已经商业化了，如瑞士的Omega 7.0机器人，法国的MPB Techn机器人，美国研发出的phantom Desktop，以及gies公司生产出的Freedom6S机器人和Haptic Technologies公司开发的Excalibur机器人等。

早先研发出的这些机器人在构型上都是固定的，比较死板，无法按照任务要求在构型上作出相应的变化;机器人的自由度完全是固定的，不利于保证主从控制的实时性与稳定性;当实际任务发生改变时，由于主机器人无法胜任工作，必须重新研发其他机器人，造成成本和工作量的增加。

可见，主机器人的通用性问题是研发机器人要解决的重要问题。

21世纪以来，国内一些机器人研发部门对模块化机器人展开了深入研究，其中工业机器人的研究最多。

张玉华（哈尔滨工业大学机器人研究所）认为可以研发一种模块化可重构的机器人系统，有利于模块迅速组成多种阵列网格式的整体构型，使模块化机器人整体结构既有阵列式特点，又有串联式的特点;张玉华采用相对方位矩阵来阐释模块间的相对关系以及模块的周围环境，建立了模块化机器人各个模块的运动规则库。

赵广涛（清华大学）提出了一种新的可重构机器人的单元组合模块理论，对机器人的摆动、旋转这两个关节进行了设计，研发出了摆动模块和旋转模块，巴东模块有独立的结构，旋转模块有运动功能，设计出的辅助模块可以完成整体组合结构的重构，降低了设计和分析
模块化机器人的难度。

刘金国（沈阳自动化研究所）一种模块化链式移动机器人结构，提出了基于组合计数原理的递归算法，用于多模块变形机器人的非同构构形计数。

李树军（东北大学）也探讨了一种模块化可重构工业机器人，设计了三大类模块—关节模块、连杆模块和辅助模块，并采用基于指数坐标的运动学求解方法。

可以看出，模块化工业机器人还主要处在研究和起步阶段，模块化机器人的应用也主要是针对一些高端领域，主要集中于一些大学及研究所的科研领域的研究，儿乎没有工业生产方面的应用。

模块化机器人所具备的灵活性、对环境的强大适应性以及工作范围的可扩展性，必然会成为未来工业机器人领域的一个主要趋势，尤其是随着人类对外太空等一些人类无法到达领域的涉足，就更需要比传统机器人更优越的机器人来取代人类进行探索。

第二章机器人模块化设计原理及设计方法
2.1模块的划分
2.1.1模块化思想概述
模块化思想并不是一个新颖的概念，最早被称为积木拼搭方式,所谓积木拼搭系统，就是把标准化的部件拼装组成一个装置或一个系统，用组件批量生产来降低成本,用互换性来改善维修保养性能，同时提高系统的柔性。

模块设计思想利用到工业机器人设计中可以缩短产品的开发、生产周期,降低生产成本,提高设计的重复使用性,增加系统的可靠性,同时可以根据客户的需要对系统进行合理的配置,以不满不同的市场需求,模块与系统之间存在以下几个方面的关系：一是模块具有独立的功能，二是模块的功能需要在整体系统中得以实现，三是模块具有标准的可速配的输入输出接日，尺寸上的连接分离装置是必须的，此外信息、能量等输入输出接口也是实现整体系统功能所必需具备的。

模块化工业机器人中的模块是一个个相互独立的机械功能模块单元，模块之间可以实现快速的连接和分离，每个模块都是一个集通信、控制、驱动、传动为一体的单元，模块之间允许动力和信息的输入并且可以通过该模块输入到其他相邻的模块。

同时，构成模块化机器人的模块需具备以下几个功能特性:一是每个模块都应该可以独立完成某一特定的功能，相互之间彼此独立，这样就可以减小整机系统模块之间的关联性，使机器人的设计和加工更加快速有效;二是当模块分为主动模块和被动模块时，每一个主动模块都应该具有单独的控制和驱动系统，并且可以驱动被动模块完成特定的机械动作;三是各模块之间可以方便地组合装配，不仅要保证机械连接能够快速有效，，同时还要保证相互之间可以实现电气、信息、
能量等方面的传输；四是各个模块在动力学、运动学上也应具有独立性，机器人的祸合性非常强，应尽可能保证模块在运动学和动力学上的独立性。

2.1.2模块划分原理
模块的划分及创建原理有两种，一种是基于功能分析的模块创建原理，一种是基于相似特征聚类的模块创建原理。

基于功能分析的模块创建原理，主要对产品进行功能分解，建立功能层次模型，然后在该模型基础上结合模块划分中的功能独立、结构完整等原则进行模块的划分。

2.2模块化设计方法
进行模块化设计时，首先必须进行模块分解，按照一定的标准将系统分解成若干模块，然后以模块为基本单元进行构型设计。

因此，模块划分的合理性对模块化系统的性能、外观以及模块的通用化程度和成本都有很大影响。

模块的划分方法有很多，比如按物理功能划分(例如机械、电气、软件等)、按制造方式划分、按系统的组成结构划分等，不同的划分方法得到的模块化系统截然不同。

机器人系统作为一个综合控制、电子、机械、软件等多领域的复杂的机电系统，以机械结构为依据分解系统是一种理想的模块化方法。

通常，模块化产品的构成模式可用一个简单的公式表达:系统=通用模块(不变部分)+专用模块(变动部分)。

要到达目标并操作以完成任务，机器人系统一般具有移动和作业两个基本的功能。

机器移动是由驱动器带动适当构型的关节结构实现的，而作业功能通常是由所谓的执行器完成。

考虑到主机器人结构和功能的特点，结合上面描述的模块化分解方法，我们把主机器人分解成关节模块(即通用模块)和功能模块(即专用模块)。

分析转轴与自身轴线之间的关系，可知运动构型中包括两种基本的关节:回转关节和摆动关节。

回转关节的转轴与自身的轴线重合或平行，称之为I关节。

摆动关节的转轴与自身轴线垂直，称之为T型关节。

关节模块就包括I关节模块和T关节模块，这两种模块都拥有单一自由度。

功能模块可以根据实际需要设计，这里设计有手柄模块。

根据模块化的要求和主机器人的结构功能要求，模块化主机器人的设计应遵循以下的原则: (l)舒适性。

(2)独立完整。

(3)质轻紧凑。

(4)简易互换。

(5)准确性。

(6)模块种类精简。

根据以上的原则，本文设计了两种自由度单转动的关节模块，即I模块和T模块，作为基本模块，还有功能模块，即操作手柄(H模块)。

应用这两种关节模块可以灵活地构建多种主机器人本体，再加上一个或两个手柄模块，可以方便地控制多种从机器人系统。

2.3随遇平衡的实现
在操作过程中，随着主机器人位姿的变化，各关节所支撑的结构的质心位置跟随着变化，由此产生的重力矩的大小也不断发生变化，会使机器人部分或者整体有向下倾斜的趋势。

因此在设计时要保证主机器人达到随遇平衡，即当不受外力的作用的时候，能够克服自身的重量，在任何位置和姿态都能保持静止状态。

为了研制结构简单、控制简单、操作性能好、低成本且能实现完全平衡的主机器人，本课题采用增大关节阻尼的方式，在关节模块内安装缓冲器，缓冲器具有恒定阻尼，且产生的反力矩约等于主机器人在极限位置时的重力矩，从而实现系统的随遇平衡。

以常见的5自由度的操作臂构型为例，校核缓冲器的扭矩。

机器人的构型中，两端分别为基座和手柄，中间是3个转动轴互相平行的T 所示，主机器型关节串接，两端与T 型关节串之间分别通过l 个I 型关节连接.其构型如式(2一l)所示:
B-I 1⊥T 1⎪⎪T 2⎪⎪T 3⊥I 2-H (2一l)
式中，B 表示基座，H 表示手柄，T 表示T 型关节模块，I 表示I 型关节模块，土和日分别表示相邻的2个关节模块转轴之间的垂直和平行关系。

图2-2-a)是主机器人的构型图，图2-2-b)是主机器人的实物图。

最大负载时的结构是当Tl 关节转角为90。

，后续关节“一”摆开时，TI 关节受到的扭矩最大。

图2-2最大负载时的结构图
通过计算得Tl 往后的结构的质量为m=604.139，重心的位置为X=一4.97mm ，Y=-0.42mm ，z=180.08，力臂长为=222Z Y X ++=180.15mm ，则Tl 受到的扭矩为M=mgL=1 .07N ·m 。

我们选用扭矩恒为IN ·m 的缓冲器，因为这是机器人的极限位置，基本上不会到达这个极限，所以扭矩也是小于该极限值，再加上关节摩擦力，可以使机器人保持随遇平衡的同时，保证操作的舒适性。

选用的缓冲器是FUJI 公司生产的单向摩擦式缓冲器，图2-3显示了两种关节模块分别选用的缓冲器，考虑到安装的方便，两种缓冲器的结构有所不同，I 模块选用的缓冲器的安装方式是通过凸台与模块中的凹槽配合实现的，这样是由I 模块的转动轴与结构轴线重合以及径向尺寸有限决定的;而T 模块选用的缓冲器的安装方式则是通过单边法兰
固定实现的，这是由T模块的转动轴与结构的轴线垂直以及结构轴线上的空间比转动轴线上的富余决定的。

缓冲器的详细参数见表2-1。

图2-3两种模块选用的缓冲器
表2-1模块用缓冲器
2.3主机器人模块
2.3.1 I模块
I模块的转轴与自身结构的轴线重合，具有回转的运动功能。

I模块主要包括两个相互旋转的基座、转动轴、编码器和缓冲器等零件。

因为主机器人的运动是由操作者手动驱动的，所以模块不需要有电机等动力源。

我们发现仅通过螺钉只能轴向定位转动轴，但轴还是可以切向窜动，这对一个需要精确转动的零件来说是不能容忍的，所以我们增加了切向定位结构，如图2一4所示，通过增加凸台，使得两个相对转动件在切向上有平面接触。

通过这种改进，转动轴的切向定位效果非常好，与旋转基座2固连成一体。

图2-4工模块的旋转基座2与转动轴之问的切向定位结构
2.3.2 T模块
T模块的转轴与自身的轴线垂直，具有摆动功能。

T模块主要包括两个相互摆动的
基座、转动轴、编码器和缓冲器等零件。

T模块同样不需要动力源。

T模块与I模块具有相同的零部件，但结构却完全不同，因为I模块实现的是回转
运动，所以转动相关的零件包括转动轴、编码器、缓冲器等，均可与模块自身的轴线重合，但是T则必须是垂直的，否则传动结构将很复杂。

孔进入到T模块的内腔与控制器连接。

在T模块内同样有个双层圆状的控制器，用于提供编码器的电源、控制关节模块转角信号的采集并与CAN总线进行通信。

不同类型模块的控制器是完全一样的，可以相
互替换，这样也实现系统电气上的模块化。

控制器通过两个双头螺柱和螺钉与摆动基座l固定连接。

摆动基座l两侧也有对称的两个直方孔，作为USB外接线与外电源总线和CAN总线连接的通道。

T模块两端同样有统一的机械接口，可以通过卡环便捷地与两端的模块串联对接。

模块尺寸为中40X109.8mm，为了减轻重量，主体材料采用铝合金，整个模块质量更轻，仅有149.79。

T模块的摆动范围为士110。

，其整体外形结构如图2-5所示。

图2-5关节模块的外形结构图
2.3.3 应用模块化方法的效果
我们研制了一系列主机器人模块，包括I模块、T模块、手柄模块和基座模块等等，这些模块能够方便地、灵活地连接组合成各种能够随遇平衡的主机器人机构。

通过模块化设计，我们的研制的主机器人系统有如下的优点:一是成本低:模块大都是标准的、可大规模制造的，因此在搭建主机器人系统时的设计、制造、装配和维修成本将比用传统方法低很多。

二是具有可重构性、控制直观。

通过改变模块之间的连接或组合来改变系统的结构。

这样系统可以根据从机器人的需要灵活地调整构型以适应任务要求，主从机器人的构型接近，则控制程序简单且控制操作直观。

三是具有通用性。

只需几种标准的模块，就可以组成多种主机器人系统应对多种构型的从机器人。

根据任务的要求，可以增加或者减少模块而不影响其他模块的正常工作。

四是改型设计和研制周期低:因为根据任务的改变要求可能只需改进个别模块，不需全部重新设计，这样工作量就会减小。

另外由于系统功能分割成多个模块，而模块之间相互独立，任务被分解可以减小复杂性并且能单独并行开展，所以当需要对机器人进行修改时，设计和研制周期将大大缩短。

五是结构简单、装配方便:我们选用缓冲器实现系统随遇平衡，并且使转动部件的转动轴与模块的轴线重合等措施，大大简化了机械结构，并且考虑到结构的对称性和可替换性，使系统装配连接简单、安全可靠。

六是操作舒适:主机器人系统可以根据操作者的需要，调整自己的构型，使得整个过程中的姿态、位置更方便操作。

第三章机器人控制系统设计
3.1控制系统硬件设计
控制器负责采集关节模块的角位移和手柄的开关信号，并把这些信号传送到CAN总线上，同时从总线上接收发给该模块的控制信号。

整个控制电路包括主控芯片的最小系统模块、
信号采集模块(鉴相计数模块)、电源模块、通信模块、编程下载与仿真接口模块等，整个电路硬件框图如图3一1所示。

该电路完成了传感器与按钮信号的采集、与总线通信、以及传感器的电源供应等三大功能，是主机器人准确控制从机器人不可缺少的部分。

本节将详细介绍该控制器电路的工作原理。

图3一1扩展控制电路硬件框图
3.2单片机最小系统模块
本通信节点电路采用美国cygnal公司生产、完全集成的系统型芯片c805lF043微控制器。

尺寸小，在同系列的芯片中，它是封装尺寸最小的单片机，这是我们狭小的模块空间所需要的;集成了完全支持CAN2.OA和CAN2.OB的CAN控制器，符合我们想利用单片机加CAN接收器实现CAN通信的要求;它内部还带有JTAG接口，允许在MCU上进行非侵入式(不占用片内资源)调试，使调试变得非常方便;采用流水线处理结构，平均指令速率达25MIPS，满足我们实时性的要求。

综上这些功能，说明该主控芯片非常适合该电路的设计要求。

由于单片机的内部晶振器频率跨度很大，从24MHz到25MHz，不符合需要精确控制的主机器人的要求，所以为了提高系统的稳定性，系统在稳定工作后采用外部振荡器，出于空间考虑，选用晶体四脚无源贴片晶振XS一3225作为振荡器。

外部晶体配置电路中两个30PF电容提供晶体正确振荡所需要的负载。

晶体振荡器电路对PcB布局非常敏感，所以将晶体靠近微控制器的XTAL引脚，与两个XLAL引脚的连线尽可能地短并且尽量平行，以防止多余的连线引入的噪声或干扰。

3.3 CAN通信模块设计
设计中，C805lF043的CAN控制器的串行数据输出线CANTx和串行数据输入线CANRX
分别连接到收发器PCA82C25O的接受引脚TXD和发送脚RXD。

PCA82C25O收发器通过两个总线终端CANH和CANL与总线连接，这两个输出引脚具有差动发送和接收功能。

引脚RS 作为斜率控制电阻输入端与地之间的电阻为斜率电阻，该电阻具有分流作用。

在波特率较低的情况下，一般采用斜率控制方式，电阻选择在16一140KQ之间，这里选用为47KQ。

参考电压引脚Vcc，电源电压选用SV电压。

Vref作为基准电压输出端，这里采用悬空处理。

而CANH，CANL脚是信号的输入输出，实现对电平信号的传送，完成通信传输。

分别在CANH、CANL两个引脚和CAN总线之间串接一个SQ的限流电阻，当过流时电阻发热，阻值变大，保护82C250免受过流的冲击;在CANH和CANL与地之间分别反接l个保护二极管，可起到一定的过压保护作用，阻止发送器输出级的破坏;并联2个30PF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰和电磁辐射。

CANH，CANL脚之间串连一个124Ω的匹配电阻和一个跳线接口，当该通信节点用在总线的一端时，就加上跳线帽，使匹配电阻接进电路中，用于消除长距离线反射所引起的干扰。

CAN总线两端的两只匹配电阻对于匹配总线阻抗具有相当重要的作用，保证了通信的抗干扰性及可靠性。

CAN通信模块的电路原理图和PCB图见参考附录。

3.4控制器设计
为了使每个模块也实现电气上的模块化，控制器必须是紧凑、尺寸小并且具有高的控制性能与通信性能的。

控制器负责采集关节的角位移或手柄的开关信号，并把这些信号传送到总线上，同时从总线上接收发给该模块的控制信号。

采用新华龙公司的c805lF043作为主控芯片，主频为24MHZ，负责对编码器转角信息和手柄开关量进行收集，并利用其内部的CAN 控制器与外部的CAN收发器实现与CAN总线信号的传输，接收上位机的控制命令。

编码器信号的鉴相计数电路由3个四位可逆计数器74Lsl93串联而成，其输出为12位的二进制数，将其初值设为即2048，逆时针旋转时，测量范围为2048一1024，顺时针旋转时，测量范围为2048一3072，满足编码器的精度采集要求，计数电路的数据输出DO一Dll送至主控芯片处理。

第四章机器人主从控制策略
4.1从机器人系统搭建
从机器人是任务的执行者，所以必须具备运动和作业两种基本的功能。

运动是由驱动器带动适当构型的关节结构实现的。

根据模块化设计的一般原则，我们同样设计了模块化从机器人系统。

该系统包括两种关节模块(I模块和T模块)和多种功能模块。

关节模块都具有单一转动自由度，I模块的转动轴线与自身轴线垂直，T模块的转动轴线与自身轴线重合，经
过了两代的开发和优化分析设计，关节模块的性能达到了较好的状态。

关节模块有相同的机械安装接口，可以方便地互相连接。

应用这两种基本的单自由度的关节，可以组建多种机器人的主体。

功能模块的机械连接接口与关节模块一样，因此可以方便地把它串联在机器人主体的一端或两端，不同的功能模块结合机器人主体可以构建多种机器人系统用于实现不同的作业任务如操作臂作业或者爬杆、爬树等功能，如图4-1中所示。

图4-1模块从机器人系统
4.2同构型主从控制策略
采用位姿一位姿型控制策略，控制系统如图4-2所示。

主机器人和从机器人各自有自己的传感系统。

操作主机器人时，主从机器人各自检测自己的位姿，当主从位姿不同时，
必然存在位姿差，根据该位姿差信号驱动从机器人动作，让从机器人一直跟随主机器人的位姿，直到两者完全重合为止。

图4-2位姿一位姿型控制系统方框图
同构型的主机器人采用双手柄构型H1-···-H2，主从机器人的主体构型一样，自由度数目和运动藕合方式相同。

此时主从机器人的结构上的不同就是末端执行器，从机器人是两个。