模块化机器人平台设计

模块化机器人平台设计

随着机器人技术的发展，机器人已应用于工业、军事、医疗、教育及家庭服务等领域。然而受到通用性和成本等因素的制约，人们所期望的机器人在各行各业中的普及未能很好地实现。从理论上而言，机器人是一种可编程的多功能柔性设备，能够通过改变自身的程序来满足不同工作任务的要求，但实际上机器人基本上都是根据特定的任务来开发的，具有固定的结构和功能，并且使用的工作环境也被限制在一定的范围内，无形中增加了使用的成本，阻碍了其在应用领域的推广。

解决以上问题的根本方法是改变传统的机器人设计思想。模块化作为一种新的设计方法和思维方式，已广泛应用于产品的研发和设计中。模块化技术应用于机器人领域开始于20世纪80年代，模块化机器人平台由一套具有不同尺寸和性能特征的模块组成，通过这些模块能快速装配出最适用于完成给定任务的机器人。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。

目前，国内外众多的科研机构、公司都投入到模块化机器人的研究、设计、制造当中。但现有的模块化机器人平台或多或少存在以下缺陷：

(1)模块类型单一，能够搭建的机器人系统少；

(2)模块的价格昂贵；

(3)主动模块的输出力矩小，系统的性能不高；

(4)没有完全实现硬件与软件的模块化以及硬件模块与软件模块的对应。

笔者所在实验室针对以上缺点，开发了一个新的多用途、低成本的模块化机器人平台。文中主要介绍了模块化机器人平台硬件和软件系统的设计及特定功能机器人系统的构建，并通过实验验证了该模块化设计方法的可行性。

1 系统设计

模块化机器人平台的设计包括3个层次：总体设计、模块设计及模块化产品设计，其中总体设计包括模块分解以及模块连接两个方面。

1.1 模块分解

根据模块的定义，模块是具有某种确定功能的独立单元。功能是构成模块的依据，也是进行系统分解的依据。模块可以按其物理功能(例如机械、电气、软件)为单元构成，也可按系统的组成结构为单元构成。机器人作为一个复杂的机电系统，涉及机械、电子、控制、软件等领域。因此，以机械结构为依据、其它各种功能模块以机械结构模块为载体参与到系统，是一种理想的模块分解方法。通常，模块化产品的构成模式可用一个简单的公式表达：新产品(系统)=通用模块(不变部分)+专用模块(变动部分)。根据上述依据和思想以及机器人结构的特点，文中将模块化机器人平台分解成关节模块(即通用模块)和功能模块(即专用模块)。模块化机器人平台的系统构架如图1所示。

图1 模块化机器人平台构架

关节模块是构建模块化机器人的基础，其设计遵循以下原则：独立性，每个模块都是一个独立的机电系统，包含传动装置、驱动装置、传感系统以及通信接口；完整性，每个模块都可以单独地实现运动控制和力矩控制；可集成性，多个模块可以在上层控制器(上位机)控制下组成特定的分布式系统，协调、有序地实现特定功能。

功能模块是为扩展特定系统设计的辅助单元，目前针对不同的机器人系统开发了用于双足步行和轮式移动的足/轮模块、用于爬壁机器人的吸附模块以及用于遥操作的Joystick 模块等几个功能模块。

1.2 模块连接

通常，一个模块化机器人系统是由多个模块组成，因此必须设计各个模块之间的连接方式。模块间的连接又包括两个层面，一个是机械结构层面的连接，另一个是模块间的通信。

机械结构的连接采用卡环加定位销的方式，既可以实现模块的快速安装、拆卸(通常安装、拆卸一个模块只需十几秒)，又可以保证各个模块之间的安装精度。

模块间的通信通过CAN总线方式，通信协议采用CANopen。每个关节模块、吸附模块以及夹持器模块都是总线上的一个节点，都有一个唯一的节点号(1-128)。上位机通过一个USB to CAN转换器与各模块节点通信。

2 硬件设计

2.1 关节模块

根据模块化设计的一般原则以及模块化机器人的特点，设计了两种关节模块：回转模块和摆动模块。两者都具有一个自由度，机械安装接口相同且可以互相替换。其中回转模块其转轴与模块自身中心轴线重合或平行，称之为I型模块；摆动模块的关节转轴与模块连接轴

线垂直，称之为T型模块。

I型模块和T型模块采用直流伺服电机作为驱动装置，电机额定输出功率150W，电机自身带有MR-L 1024编码器，通过PI控制，可以实现精确的位置模式和速度模式控制。电机输出轴经过谐波减速器和内齿轮/锥齿轮(内齿轮用于I型模块，锥齿轮用于T型模块)两级减速后驱动模块的关节轴。这种两级减速方式具有驱动力矩大(I型模块的最大输出扭矩为150N·m，T型模块的最大输出扭矩为120N·m)、结构紧凑轻巧、精度高等优点。

I型模块和T型模块的零位检测和限位开关采用霍尔传感器。在指定的位置(零点、限位点)安装小的磁钢，通过检测霍尔传感器输出电压的变化可以检测出磁钢的安装位置。霍尔传感器结构轻巧(传感器的大小为1.5mm×3mm×4mm，磁钢的直径为4mm，安装方便，控制简单，非常适合本系统的设计。由于I型模块的转动范围为-180°～+180°，因此只需设计零位装置；T型模块的转动范围为-110°～+110°，因此需要设计零位检测和正、反两个方向的限位开关。

单个I型模块和T型模块的驱动采用Copley公司的Accelnet Micro驱动器，该驱动器不但可以实现驱动功能，还具有运动控制功能，同时结构紧凑，可安装在模块内。

通过对模块化平台近3年的测试、使用，发现I型模块和T型模块在机械结构方面存在一些缺陷，因此对其进行了改进。改进后平台更轻，尺寸更紧凑，安装更方便。T型模块和I型模块的长度分别从原来的250、190mm缩短到238、165mm，质量也从3.5kg降低到2.5kg，改进后的模块实物图如图2所示。

2.2 夹持器模块

抓取操作是众多机器人具有的能力，因此将夹持器模块设计为模块化平台的一个功能模块，如图3所示。它由两个手指组成，手指由盘式电机，谐波减速器，蜗轮/蜗杆以及四杆机构构成的传动装置驱动其张开和闭合。由于这种传动装置具有较大的减速比，夹持器的最大夹持力可达300N，盘式电机上自带的霜尔传感器可以实现夹持器的速度控制模式，同时，在两个手指的接触面安装了压力传感器(FSR)以实现手指与物体接触时的力控制模式。此外，为了保证夹持器可以夹持不同大小、不同形状的物体，在夹持器手指上设计额V型槽，V型槽可以夹持圆柱形和球体，手指上的平面可以夹持立方体，两者相结合可以夹持更多种类的物体。

2.3 吸附模块

吸附模块是从于负压吸附原理设计的，也作为模块化平台的一个功能模块，如图4所示。它主要由3个聚氨酯吸盘、真空泵、压力传感器、两位三通电磁阀、单向阀、支撑架和若干快接插头及气管等组成。3个吸盘呈正三角形布置，可有效增大爬壁机器人的抗倾覆力矩，减少因吸盘变形而带来的爬壁机器人本体倾斜问题。吸附模块内含DSP控制器，响应上位机的指令，通过真空泵和电磁阀的协调动作来实现吸附和脱吸附，并由压力传感器实时检测和返回吸盘内腔的真空度。该吸附模块极限真空度为-75kPa，可产生垂直于被吸附面的约1800N 的吸附力。它既可作为爬壁机器人的吸附足，也可作为机械臂的末端执行器。