可重构模块化机器人现状和发展

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 文章编号: 1002

2

0446 (2001) 03

2

⁰²⁷⁵

2

⁰⁵

可重构模块化机器人现状和发展

^α

刘明尧　 谈大龙　 李　斌

(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放实验室　沈阳　110015)

摘　要:

由于市场全球化的竞争

,

机器人的应用范围要求越来越广

,

而每种机器人的构形仅能适应一定的有限 范围

,

因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求

,

解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统

.

本文介绍了 可重构机器人的发展状况

,

分析了可重构机器人的研究内容和发展方向

.

关键词:

重构性

;

机器人

;

模块

中图分类号:　_{T P 24}　　　　文献标识码:　_B

STA TUS A ND D EVELO PM ENT O F RECO NF IGURA BL E M OD UL A R RO BO TS

L IU M ing2yao　TAN D a2long　L IB in

(R obotics L abora tory, S heny ang I nstitu te of A u tom a tion, C h inese A cad em y of S ciences　110015)

　Abstract: A robo t m u st have m o re app lication range as a resu lt of m arket global com petition. How ever each robo t’s fixed configu ra t ion m ake s it w e ll

2

su ited fo r a lim ited app lica t ion range. H ence, the flex ib ility of a robo t can no t m ee t the dem and in m a rke t change. A so lu t ion to th is p rob lem is to deve lop reconfigu rab le m odu la r robo t sys

2

tem. T h is p ap e r ana lyse s the deve lopm en t and de sign con ten t s of reconfigu rab le m odu la r robo t s. som e re sea rch top ics on reconfigu rab le m odu la r robo t s a re p ropo sed.

　

Keywords: reconfigu ra t ion, robo t, m odu le

1 　引言 ( In troduction )

从理论上来讲, 机器人是一种柔性设备, 它能通 过编程来适应新的工作, 然而实际应用中很少使用 这种情况. 但传统的机器人都是根据特定的应用范 围来开发的, 虽然对那些任务明确的工业应用来讲, 这种机器人已经足够满足实际需要了, 然而由于市 场全球化的竟争, 机器人的应用范围要求越来越广, 而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围, 因 此机器人的柔性不能满足市场变化的要求, 解决这 一问题的方法就是开发可重构机器人系统, 它是由 一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组 成, 能够被装配成各种不同构形的机器人, 以适应不 同的工作. 因此可重构机器人系统的研究已引起越 来越多的研究者和工业应用的兴趣, 本文在分析了 可重构模块化机器人的发展状况后提出了今后需要 研究的方向.

2 　国内外研究状况 (L itera ture rev iew) 国外对可重构机器人系统已经进行了大量的研 究, 目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机 器人系统主要有两类: 一类是动态可重构机器人系 统, 另一类是静态可重构机器人系统.

动 态 可 重 构 机 器 人 系 统 有: Pam echa 和 Ch irik jian

^{[ 24 ]}

的构形变化机器人系统 (M etam o rp h ic Robo t ic Sy stem ) , 它是由一套独立的机电模块组成 的, 每个模块都有连接. 脱开及越过相邻模块的功 能, 每个模块没有动力, 但允许动力和信息输入且可 通过它输到相邻模块, 构形改变是通过每个模块在 相邻模块上的移动来实现的, 这种系统具有动态自 重构的能力. Ko tay

^{[ 21 ]}

等人提出了分子 (M o lecu le) 的 概念, 自重构机器人的模块称为分子, 分子是建立自 重构机器人的基础, 分子和其它分子相连接且分子 能够在其它分子上运动形成任意的三维结构, 是一

2001 5

　

M ay, 2001

α 收稿日期: 2000- 09- 22

种动态的自重构系统. Y im

^{[ 29 ]}

研究了一种动态可重 构移动机器人, 不用轮子和履带, 而是通过称为多边 形杆结构的模块从尾部移到前端, 实现重心移动, 即 机器人的移动, 并能通过不同的构形适应不同的环 境. M u rata

^{[ 23 ]}

等人提出了一种三维自重构结构, 其模 块为一种齐次结构且仅一种模块, 通过一个模块在 另一个模块上的运动来动态的组成各种结构. 静态 可重构机器人系统有: B enhab ib

^{[ 2, 3 ]}

的模块化机器人, 提出了基于遥驱动技术的模块机器人单元, 驱动方 式类似于传统的工业机器人, 认为驱动部分太重, 影 响模块机器人的能力, 虽然采用该驱动方式使模块 化机器人柔性降低, 但易实现, 是一个折衷的方案.

Pa red is, B row n 和 Kho sla

^{[ 25, 26 ]}

的可重构模块化机器 人系统 (RMM S) , 它利用一套可交换的不同尺寸和 特性的连杆和关节模块, 通过组成这些通用模块, 能 够装配出各种专用的机器人, 这种系统特别适用于 可重构, 并且考虑了软件可重构. Chen 等人

^{[ 5～8 ]}

的模 块化可重构机器人, 设计了模块库, 并研究了构形的 设计及运动学和动力学的分析方法. H an

^{[ 15 ]}

等人的模 块化机器人机械臂, 对模块的机械设计方面开发了 一套软件来实现构形的设计. H u i

^{[ 17 ]}

等人提出了一种 IR IS 装置, 它是一种模块化. 可重构和可扩展的机器 人系统, 该装置具有 2 台 4 2dof 转动关节机器人, 每 台机器人均可重构成各种构形, 每个关节由DC 电机 谐波减速驱动, 并装有位置. 力矩传感器, 它的软件 也和硬件一样设计成模块化的、可扩展的和可重构 的. Fu jita

^{[ 11 ]}

等人开发了一个可重构机器人平台, 它 是基于 Sony 公司开发的 O PEN 2R 标准来建立各种 软、硬件模块, 通过模块组成各种不同的机器人结 构, 该平台主要用于玩具娱乐业. M atsum aru

^{[ 22 ]}

提出 了 TOMM S 系 统 ( To sh iba M odu lar M an ip u lato r Sy stem ) , 它是由关节模块. 连杆模块和有操纵杆的 控制单元组成的, 通过人工能够构成各种构形的机 器 人, 其 运 动 学 是 在 构 形 确 定 的 情 况 下 进 行 的.

H ab ib i

^{[ 14 ]}

等人研究了可重构液压驱动工业机器人的 设计问题. 德国AM T EC 公司生产的 POW ERCU B E 产品是模块化的机器人

^{[ 32 ]}

, 目的是以各种特定的机 器人满足各种生产需要. J i 和 Song

^{[ 18 ]}

提出了一种可 重构平台机器人的设计, 它主要针对并联机器人的 模块化设计进行了研究.

从应用范围来看, 动态可重构机器人系统主要 适用于玩具行业及非制造行业, 如空间机器人. 危险 作业环境下的特殊机器人等, 静态可重构机器人系 统主要适用于工业机器人.

3 　可重构模块化机器人系统的设计 _{(D es ign} of a recon f igurable m odular robot system )

可重构模块化机器人系统是由一套具有不同尺 寸和性能特征的模块组成的, 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. 因此可重 构模块化机器人系统应具有以下功能:

( 1) 用户应能很方便地拆散和装配各种模块组 成不同的机器人构形满足特定的工作要求;

( 2) 构造的机器人构形使用的模块数和模块类 型应尽可能地少;

( 3) 用户对控制软件的修改也不应做复杂的操 作;

(4) 装配的模块化机器人应能立即工作, 完成实 际任务.

可重构模块化机器人系统设计的主要内容是模 块的划分和模块的设计. 模块的划分既要考虑可重 构模块化机器人的应用范围、工件特点和性能, 同时 模块本身也要符合以下几条基本原则:

(1) 每个模块单元应是独立的和自装的;

( 2) 每个模块单元应是可快速连接到任意其它 的模块单元, 而不论其类型如何;

(3) 每个模块单元应是最小重量和最小惯性.

( 4) 每个模块单元在运动学和动力学上应具有 独立性.

可重构模块化机器人系统是由一套模块构成 的, 目前对机械模块的划分主要分为基础单元模块、

末端件模块、连杆模块、关节模块 (移动关节模块、转 动关节模块、回转关节模块) 等. 目前几种典型的模 块划分方法有: B enhab ib

^{[ 2 ]}

等人建立的机器人模块 库, 它将模块分为四类模块: 模块单元连接器、连杆 模块、主关节模块、末端关节模块等, 其中连杆关节 采用圆环截面的圆柱体形, 保证任意方向上的抗弯、

抗扭能力, 提高构造机械手的柔性, 空心结构能保证

模块的质量和转动惯量小, 将基础件也划为该类模

块. 主关节模块又可分为转动关节和移动关节模块,

按其驱动方式分为 R 2A ctuato r2M 模块 (用于离基础

件较近的关节, 它采用DC 电机, 谐波减速驱动, 重量

大 ) , R 2A ctuato rg L ink 2M (用于离基础件较远的关

节, 动力不放在关节上, 而是放在离基础较近的地方

通过传动元件传送给关节) , P 2A ctuato r2M (DC 电机

驱动的移动关节). 末端件关节也分为转动关节和移

动关节, R 2A ctuato r2E 和 R 2A ctuato rg L ink2E, 其驱

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动原理与主 关节模块原理相同. 同时设计了一个单

元连接器, 用止口和定位销定位, 用螺栓进行联接.

Pa red is

^{[ 26 ]}

等人在 RMM S 系统中提出了硬件模块的 划分方法, 建立了机械手的基础模块. 连杆模块. 三 个转动关节模块. 一个回转关节模块. 基础模块和连 杆模块是无自由度的, 关节模块有一个自由度, 模块 是自封闭的, 硬件包含有 CPU 、传感器、驱动器、制动 器、传动装置、传感器接口、电机放大器和通讯接口 等, 电器部分也根据模块化的原理设计, 采用具有基 本功能的母板和特殊功能的子板, 同时设计了一个 集成的快速耦合连接器, 以便模块之间的快速连接.

Chen

^{[ 11～17 ]}

等人设计的模块化机器人系统中, 仅考虑 连杆模块和关节模块, 关节模块有转动关节模块. 移 动关节模块. 螺旋关节模块和圆柱关节模块. 连杆模 块设计成立方体和长方体, 其特点是多关节联接和 几何对称, 立方体的六个表面均有联接口, 长方体的 二端的各表面也都有联接口. 可重构模块化机器人 系统模块的基本功能应包括以下几个方面:

(1) 模块应具有自封装的功能, 完成某一特定的 功能.

(2) 模块应具有驱动能力, 完成特定的运动和动 作.

(3) 模块应具有通讯能力, 以便各模块能协调的 工作.

(4) 模块应具有数据处理能力.

4 　可重构模块化机器人的构形设计 _{(Con -} f igura t ion de s ign of recon f igurable m od - ular robots)

可重构模块化机器人系统是由一套各种功能的 模块组成的, 通过选择不同的模块组合就可装配成 不同模块化的机器人, 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. 目前构形的表达方 法有: Chen

^{[ 5～8 ]}

等人采用图论的概念, 将模块机器人 的装配关系用装配关联矩阵来表达, 建立了装配构 形评价函数: 7 ( ^A ) = Ф( A ) Λ( ^A ) , Ф( A ) 是模块机器 人装配构形 _A 的结构性能, A 是一个装配关联矩阵, Λ( ^A ) 为任务评价标准, 表达任务点集合中最差情况 下模块机器人的性能测量值, 采用遗传算法来求解

该优化问题, 得到最佳的机器人构形. Paredis

^{[ 25 ]}

等人 根据运动学设计任务的要求 (即可达性、关节在极限 范围内运动和避障的要求) , 仅考虑转动关节, 在D 2 H 参数表达的运动学中通过 u = tg ( Ηg2) 的代换, 解 决了运动可达性的判断问题, 采用模拟退火法进行 构形的优化. Chocron

^{[ 9 ]}

和 H an

^{[ 15 ]}

采用遗传算法进行 模块化机器人的构形设计.

5 　可重构模块化机器人的运动学和动力学 ( K inema tics and dynam ics of reconf i - gurable m odular robots)

可重构模块化机器人的运动学和动力学的产生 也与传统机器人的运动学动力学不同, 要求在构形 改变后自动生成运动学和动力学. B enhab ib

^{[ 2, 3 ]}

等人 提出了运动模块技术, 采用D 2H 参数, 每个机械模块 从输入端口到输出端口之间的运动联系是通过 4×4 阶的齐次变换矩阵来转换. Chen

^{[ 6, 7}

等人在模块化机 器人的运动学分析时采用了指数积的形式, 首先研 究一个连接副 (由两个连杆和一个关节模块组成) 的 运动学, 并表达成指数积形式, 然后根据机器人的构 形采用指数形式的连积得到机器人的前向运动学.

6 　 可 重 构 模 块 化 机 器 人 的 控 制 系 统 软 件 (Con trol sof tware des ign of recon - f ig - urable m odular robots)

可重构机器人既要实现硬件的可重构, 同时实 时控制软件也必须是可重构的, 这样才能适应机器 人应用范围的快速变化. 为了实现软件的可重构, 必 须要解决可重构软件模块库的开发和这些模块根据 硬件构形和控制任务自动集成的问题. 在计算机软 件工程领域, 对软件的重用进行了大量的研究, 但对 可重构软件的研究并不多. 在可重构机器人控制软 件可重构方面的研究也较少. Kho sla

^{[ 13, 28 ]}

等人使用 基于端口的对象设计了一个动态可重构实时软件和 基于传感器实时系统的多层人机界面, 并应用到可 重构模块化机器人中.

7 　可重构模块化机器人研究方向 _(Research top ic s on recon f igurable m odular robots)

综上所述, 可重构模块化机器人系统的研究已 经引起了许多研究者的注意, 目前仍需进一步研究 的内容主要在以下几个方面:

(1) 可重构模块化机器人系统中模块的功能. 设

计及实现方法. 包括机器人的功能分析和功能的分

配, 模块的软、硬件功能分析, 模块描述方法的研究, 软、硬件模块的设计, 软、硬件模块自动或快速连接 方法的研究.

(2) 可重构模块化机器人的构形设计. 包括机器 人所需完成任务描述方法的研究, 机器人构形表达 方法的研究, 机器人最优构形生成方法的研究.

( 3) 可重构模块化机器人的运动学和动力学研 究应主要考虑软件的可重构性. 包括模块运动学和 动力学的分析方法, 分布式模块机器人运动学和动 力学分析方法的研究.

( 4) 研究适用于可重构模块化机器人系统的可 重构实时控制软件. 包括机器人控制模块的功能分 析和划分方法的研究, 软件重构方法的研究.

参考文献　 (References)

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21 Ko tay K, R u s D. L ocom o tion V ersa tility T h rough Self2R econfigu2 ra t ion. Robo t ics and A u tonom ou s Sy stem s, 1999, 26: 217- 232 22 M a tsum a ru T. D esign and Con tro l of the M odu la r Robo t System :

TOMM S IEEE P roc of In t Conf O n Robo t ics and A u tom a t ion, 1995: 2125- 2131

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26 Pa red is C J J , B row n H B , Kho sla P K. A R ap id ly D ep loyab le M an ip u la to r Sy stem. IEEE P roc of In t Conf, O n Robo t ics and A u tom a t ion, 1996: 1434- 1439

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34费燕琼,赵锡芳,徐卫良. 基于运动学任务的模块机器人选形设计. 机器人, 1999, 21 (7) : 538- 543

作者简介:

　刘明尧

(1964

2

^{) ,}

博士研究生

.

研究领域

:

制造系统

,

机器人

学

.

　谈大龙

(1940

2

^{) ,}

研究员

,

博士生导师

.

研究领域

:

机器人

学

_.

　李　斌

(1963

2

^{) ,}

副研究员

.

研究领域

:

机器人控制

.

(上接196页)

图

11

纵向速度

6m

g

s

时有预估量航向连续跟踪响应曲线　　　　　图

12

纵向速度

6m

g

s

时无预估量航向连续跟踪响应曲线 　

F ig. 11

　

Step re spon se of p red ict ion m e thod (u = 6m

g

s)

　　　　　

F ig. 12

　

Step re spon se of gene ra l P ID (u = 6m

g

s)

7 　结论 (Conclus ion )

本文提出一种轮式移动机器人航向跟踪预估控 制算法, 根据机器人前轮偏角和纵向速度来计算航 向的变化量作为航向预估量, 并将航向预估量与机 器人实际航向之和作为控制的反馈航向, 航向预估 量对机器人航向变化趋势作了预测. 由于在航向预 估量中考虑了机器人纵向速度和实时前轮偏角的影 响, 因而控制器对机器人纵向速度变化的适应范围 较宽. 算法简单实用, 实时性非常好. 仿真实验和实 车实验中, 用航向预估算法和 P ID 控制算法结合进 行轮式移动机器人的航向跟踪实验, 结果表明这种 算法有效地改善了控制性能, 适应的速度范围较常 规控制方法要宽, 对系统参数变化的敏感性较低, 减 少了控制器对移动机器人模型的依赖, 提高了控制 器的鲁棒性.

参考文献　 (References)

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作者简介:

　龚建伟

₍₁₉₆₉

2

) ,

男

,

博士研究生

.

研究领域

:

机电控制、智

能机器人

.

　黄文宇

(1974

2

^{) ,}

男

,

博士研究生

.

研究领域

:

智能机器人

.

　陆际联

₍₁₉₄₀

2

) ,

男

,

博士生导师

.

研究领域

:

智能机器人

,

传感与控制

.