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124?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
末端执行器(以攀爬机器人为例，则是夹持器)，主机器人是两个手柄。对于控制5一DoFs 的攀爬机器人Climbot的主从控制系统的构型如4-3所示。主从之间对应模块的长度尺寸为常数，工作空间之比也是该常数。因此，可以用主机器人的各个关节的位移量直接控制从机器人各个关节的运动。此时的映射关系为:
主从机器人之间对应关节一一映射，包括末端执行器(H1对应于G1，H2对应于G2)。作者可以两手各个持握两个手柄，根据期望的从机器人运动轨迹操作手柄，通过采集主机器人各个模块的位姿信号，分别控制对应的从机器人模块，就可以控制从机器人根据这个轨迹运动，控制形象直观。
图4-3同构型主从机器人的构型映射
4.3镜像同构型主从控制策略
镜像同构的主从机器人中，主机器人采用操作臂构型B-···-H，只有一端有手柄，另一端是基座，用于固定整个机器人。对于控制5一DoFS的攀爬机器人Climbot的主从控制系统的构型如4-4所示。也是采用采用位姿一位姿型控制策略。因为主从机器人的主体构型一样，所以还是采用对应关节一一映射的控制方式。但是与同构型由有所不同，因为它需要通过操作主机器人的一个手柄来控制从机器人的两个末端执行器。
以图4-4的构型为例，此时的从机器人的运动学模型为，此时的模型与主机器人的一致，主机器人的运动学模型为，设定主从
之间的映射关系为
即主机器人的基座B对应于从机器人的末端执行器G l，手柄H对应于G:，以此类推，相应关节互相对应。镜像同构控制过程具体细分为两个步骤:
步骤一：当从机器人的末端夹持器G l夹紧时，要移动G:到达目标夹持点，由于主从机器人相应模块的转动范围一样，长度比例恒定，可以通过主机器人的各个关节的位移量直接控制从机器人各个关节的运动，不需做任何的变换。
步骤二：当从机器人的G2夹紧，换成要移动G l到达目标夹持点时，因为各个模块串联成一个整体，G l和G2之间的运动是相对的，主机器人的两个末端基座B和手柄H的运动也是相对的，H的运动相当于固定H后，B沿反方向运动。这样，操作者在控制的过程中，只要如果想让从机器人的末端执行器G l向左移动，则需控制手柄向右移动，如果想控制G l向上移动，则是控制手柄向下移动。但是各个时刻主从机器人的位姿还是保持一致的。控制过程中还是用主机器人的各个关节的位移量直接控制从机器人各个关节的运动，不需任何的变换。只是此时主机器人的运动端是B，但从机器人的运动端却是Gl。
由此反复，操作者只需操控主机器人手柄，就可以控制从机器人的两个夹持器交推动作，进行攀爬作业。G l和G2之间的交换通过按钮3控制，当按钮3断开时为Gl工子模式，连通为G2工作模式。
这就是镜像同构的概念，步骤一中，主从机器人完全同构，从机器人的运动过程中的位姿变化与主机器人完全一样，但在步骤二主从运动位姿变化则是镜像对称的。但整个过程的各个时刻，主从机器人的位姿都是保持一致的。这种控制方式相对于异构型的控制方式，不仅控制简单直观，而且误差小。因为它是通过关节一关节一一映射方式控制的，不是通过运动学正逆解和工作空间的比例映射来控制，所以单关节的误差不会累积放大，误差小。
图4-4镜像同构型主从机器人的构型映射
第五章机器人构型
采用5自由度操作臂的构型进行实验，模块链为B一I1一T1一T2一I2一T3一H，构型如图5-1所示。
图5-1 5一DoFS操作臂
我们要求解从基座坐标系到末端执行器坐标系的坐标变换矩阵T60，这个矩阵表示机器人末端执行器在基系中表现出的位置和姿态矩阵。Climbot的D一H参数表如表5-1所不。
则可求得各杆的变换矩阵:
给定各关节的转动范围和各杆件的长度(如表5一2)所示，可得该构型的主机器人的工作空间，如图5一2所示。其工作空间是由两个曲面包络的区域。外曲面是一个桃形曲面，其上面部分是半径为424.7mm的球面的一部分;内曲面是一个半径为53.9mm的球面。同样的方法可以求得其他构型的工作空间。
第六章结论
针对现存主机器人结构复杂、随遇平衡不理想、通用性不强、控制复杂不直观等不足，本文用模块化方法研制的主机器人。本文完整搭建了模块化主机器人系统，包括机械结构的研制、控制器硬件的开发和控制程序的设计。该主机器人系统仅包含机构简单的两种单自由度关节模块和手柄模块。灵活组合连接这些模块可以构建多种构型的主机器人，用以控制不同的从机器人系统;另外根据从机器人面对的不同环境和作业任务，可以通过改变模块之间的排列顺序和连接方式，甚至是增加模块，使主机器人更加简便、迅速地控制从机器人作业。模块化的方法克服了主机器人通用性不强、控制复杂和操作不直观的缺点。比较各种实现随遇平衡的方法后，我们选择通过在关节处安装恒扭矩阻尼器的方法实现主机器人的完全随遇平衡，该方法结构简单，控制方便，且适合模块化的结构要求。控制系统采用基于CAN总线的分布式控制方式，充分发挥了模块化的优势。并通过攀爬主从式控制例子说明了模块化主机器人系统的优越性，根据操作的需要可以通过改变构型可以使主从同构或异构，控制直观、简单。应用主机器人系统，针对某一固定的从机器人系统，可以构建多种主机器人构型
与之对应，因此操作者有更大的选择空间去挑选适合自己操作习惯又能优化控制系统性能的构型。
但是由于机械结构和控制系统等方面的不足，该主机器人系统仍还有很大的改进空间。首先是是精度和迟延问题，本文分析了误差的来源和迟延的成因，后续改进工作将从这些主要原因入手。其次是上位机辅助控制系统还不够完善，包括图像反馈和虚拟仿真环境等。还有就是微操作有点难度，操作者需要反复练习才能准确操作和控制，这点需要从结构操作性能的优化和控制系统对动作的判断与处理能力的完善两方面进行改进。另外，后来的工作重点之一将是针对不同的从机器人、不同的作业对象设计合适的构型并且实际控制操作，使该平台广泛地服务于人类生活和研究。
参考文献
[1]刘璇. 面向特种机器人的模块化设计方法研究[D].河北工业大学,2010.
[2]闫华晓. 模块化工业机器人设计的若干问题研究[D].浙江大学,2008.
[3]单以才. 机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究[D].扬州大学,2003.
[4]吴文强,管贻生,朱海飞,苏满佳,李怀珠,周雪峰. 面向任务的可重构模块化机器人构型设计[J]. 哈尔滨工业大学学报,2014,46(03):93-98.
[5]陈航,殷国富,赵伟,周晓军. 工业机器人模块化设计研究[J]. 机械,2009,36(03):56-58. [2017-08-31].
[6]雷静桃,王田苗,何勇灵. 基于功能构件分解的机器人模块化设计方法[J]. 机器人技术与应用,2009,(02):40-44.
[7]曹燕军,葛为民,张华瑾. 一种新型模块化自重构机器人结构设计与仿真研究[J]. 机器人,2013,35(05):568-575+606.].
[8]王勇. 可重构模块化机器人的构形及运动学设计[D].西华大学,2006.
[9]王林. 可重构模块化机器人构形设计理论及方法的研究[D].武汉理工大学,2007.
[10]肖超,周玉林,盛海泳,侯雨雷. 工业机器人机械本体模块化设计[J]. 中国机械工程,2016,27(08):1018-1025.
[11]舒畅,熊蓉,傅周东. 基于模块化设计方法的服务机器人结构设计[J]. 机电工程,2010,27(02):1-4.
[12]周雪峰,江励,朱海飞,蔡传武,管贻生,张宪民. 一个模块化机器人平台的设计[J]. 华南理工
大学学报(自然科学版),2011,39(04):50-55+61.
[13]庞博. 模块化蛇形机器人的设计与研究[D].河北工程大学,2014.
可重构模块化机器人现状和发展 摘要：由于市场垒球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广．而每种机器人的构形仅船适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不船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、摸块 1 引言 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，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 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：Pamecha 和Chirikjian～“的构形变化机器人系统（MetamorphicRobotic System）．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，每个模块设有动力，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．KotayC21]等人提出了分子（Mo[ecu[e）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，是一种动态的自重构系统．YimE 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
机器人创新设计作品说明材料学校名称：景德镇高等专科学校 作品名称：探索者机器人创新设计 作品设计成员： 作品设计时间：二零一二年十月十九日
摘要 本文主要介绍了一个基于ARM7 LPC2138，32 位的高性能主控芯片控制的探索者机器人的创新设计，该设计包括C语言编程，声控、振动、触碰、光强、闪动、黑标、白标、近红外等多种传感控制，图形化编程及便携式编程三种编程模式，能满足任何软件水平的用户实现简单或复杂的自动化控制程序及其他功能实现。 在设计中，详细的展现了探索者机器人的各个功能模块、传感器的属性功能工作状况。最后，实现整个实验功能创新设计。
目录 摘要 (1) 第一章引言 (1) 1.1 探索者机器人创新设计概 述 (2) 1.2 探索者机器人创新设计特点 (2) 1.3 探索者机器人创新设计目的 (3) 1.4 探索者机器人创新设计意义和前景 (4) 第二章、主控板 (5) 第三章、红外接收头 (5) 第四章、语音模块 (5) 第五章、LED 模块 (6) 第六章、舵机 (6) 第七章、传感器 (7) 7.1 黑标/白标传感器 (8) 7.2 近红外传感器 (8) 7.3 姿态传感器 (9) 7.4 闪动传感器 (9) 7.5 声控传感器 (10) 7.6 触碰传感器 (10) 7.7 振动传感器 (11) 7.8 触须传感器 (11) 7.9 光强传感器 (11) 第八章、编程手柄说明 (12) 第九章、C 语言编程基础指南 (13) 9.1 安装编程环境 (13) 9.2 第一个ARM 软件 (18) 9.3 烧写程序 (21) 9.4 ARM 主控板端口列表 (22) 9.5 库函数 (24) lib_io.c………………………………….…………………….………… 24
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：
第一次实验：MultiFLEX控制卡编程实验 蜂鸣器实验 #include
{ write_gpio(~((uint16)io_out)); delay(5);//延时5×20MS=0.1s io_out<<=1; write_gpio(~((uint16)io_out)); delay(5); } } else write_gpio(0xFF00); } } 第二次实验：多自由度串联式机械手 #include "Public.h" #include "Usertask.h" void u ser_task(void) { uint8 array_rc[23]={0};//舵机控制数组长度为24，可控制12路舵机，舵机运动函数要求array_rc[偶数]为舵机目标角度值，array_rc[奇数]为舵机运动速度值 array_rc[0]=90; //舵机1，中位为0度（对应数值90），目标角度+20度。取值范围0-180，超过此范围程序会丢弃此数据 array_rc[1]=170;//舵机1，速度为170。取值范围0-255，超过范围程序会丢弃此数据 array_rc[2]=90;//舵机2目标角度设置 array_rc[3]=170;//舵机2转动速度设置 array_rc[4]=90+90;//舵机3 array_rc[5]=170; rc_moto_control(array_rc);//将舵机运动信息交给舵机运动函数，实现舵机运动 delay(50);//延时50*20MS= 1S,给舵机提供反应时间，此反应时间应大于舵机实际运动所需时间 array_rc[0]=90-90; array_rc[1]=170; array_rc[2]=90-90; array_rc[3]=170; array_rc[4]=90+90; array_rc[5]=170; rc_moto_control(array_rc); delay(50); array_rc[0]=90; array_rc[1]=170; array_rc[2]=90;
1.1 引言 我们知道，对于任何一个机器人系统来说，机构是它的“躯体”，控制系统则是它的“大脑”和“神经系统”，一个设计合理的机器人机构加上一个有效的控制系统，机器人才能成为一个名副其实的、“活生生”的机器人，控制系统的性能直接决定着机器人整体功能的实现和性能的高低。机构和控制系统是机器人不可分割的两个部分，在机器人设计过程中，它们始终相互影响，一个合理的机构才能将控制系统的性能完全发挥出来，同时，一个能与机构相匹配的良好合理的控制系统才能充分发挥机器人机构的特点，模块化可重组移动机器人是一种机制特点非常鲜明的机器人，它由多个一样的模块连接而成，每个模块都是完整的功能单元，能通过模块重组改变自身形态按照不同的步态进行移动。因此，控制系统的设计将要体现模块化机器人模块化、可重组的特点，这样才能发挥模块化机器人的性能。本文基于国家高科技研究发展计划（863）计划课题“模块化可重组机器人技术研究”，其任务就是为模块化机器人设计一个合乎机器人特点的控制系统。 本文将在分析模块化可重组移动机器人特点的基础上，将提出一个“模块化分布式控制系统”（MDCS:Modular Distributed Control System）的概念，并完成机器人控制系统的设计。 1.2 模块化机器人 模块化可重组移动机器人（Modular Reconfigurable Robot）（在下文中简称为模块化机器人）是指能够改变外形和运动方式的机器人系统。模块化机器人的基本思想就是：一个机器人由若干个相同的简单模块组成，它能根据任务的需要或外界环境的变化而对模块进行重组，从而改变自身的形状和运动姿态以适应不同的任务或不同的环境。 1.2.1 模块化机器人的提出 从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个漫长缓慢的发展过程，到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分，它正向着具有行走能力、对环境自主性强的智能机器人发展方向。作为新一代的智能机器人，不仅要有感知、推理、判断等能力，还要有强健的“四肢”——运动执行机构。现在的移动机器人大都是借助轮子或者机械腿作为运动执行机构，它们的共同缺点是运动方式比较单一，对地形（特别是未知环境）的适应性不强。例如，机械腿式机器人行走时，当碰到比较松软的地形（如沙地）时，它就无法很好地进行移动。模块化可重组移动机器人就是为了克服这些传统机器人的固有缺点而被提出的，它是一种高度模块化、可重构变形的移动机器人。 1.2.2 模块化机器人的特点 模块化可重组移动机器人，顾名思义，其最大的两个特点就是：模块化和可重组性。 模块化——即模块化机器人设计的中心思想。机器人由若干个相同的模块组成，每个模块都是一个相对独立完整的单元实体，模块由电源、传感、控制、动力、通信等几个单元组成，能独立实现一些简单的功能并能和其他模块进行通信。 可重组性——机器人根据地形环境的改变或任务的需要而对自身的若干模块进行重组从而改变自身形态和运动方式。 除了模块化和可重组特点以外，模块化机器人还有着系统设计简单化、造价低、可替代性、开放性、可自动修复以及强健性和高稳定性等特点。 系统设计简单化、造价低。由于组成机器人的模块数量较多（几十个到几百甚至成千上万），整个机器人所要实现的功能被分离到众多的模块上，只要求每个模块实现有限的简单功能，因此，模块的结构就可以相当简化，其造价也相当低廉。而整个机器人系统由这些标准模块
大学 专业实践课题：四足追光机器人 姓名： 学院：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学号： 指导教师:
四足追光机器人 一、实验目的 用“创意之星”机器人套件组装可以进行追光行走的四足机器人； 二、实验套件（创意之星） 1.机械结构：基本结构件、舵机动力关节、可转向轮子、机械爪等； 2.控制系统：控制卡、舵机、直流电机、各类传感器、电源等； 3.控制软件：NorthSTAR 图形化开发环境 三、实验步骤 1、确定其基本功能 基本功能： a．在平地上通过步态设计，可以正常迈步行走。同时头部传感器检测前方光源，便于及时调整运行动作，追光行走。 b．当左侧红外线传感器检测到光源强于右侧红外线传感器检测到的光源时，机器人运行步态会改变，控制机器人左转。右侧的光源强于左侧的光源时用同样的原理控制机器人右转。 c．当两侧均检测到光源亮度相等时，调整步态，追光机器人会向前走。直至检测不到光源停止，再控制向后退。
2、机构设计 整个巡视机器人由大致三个模块组成： a.由8个舵机组成四足机器人的4条腿模块； b.由2个舵机组成四足机器人尾部部分； c.由2个红外接近传感器和1个舵机组成的感应模块。 3、机构的装配 整个四足避障机器人由1个控制板，1个舵机和两个红外接近传感器组成可转动头部，8个舵机组成主要的4条机械腿，由两个舵机构成尾部部分。整个四足机器人共由11个舵机、两个红外接近传感器及“创意之星”机器人零部件组成。 安装可分为零件的安装，部件的组装以及最后的总装过程。根据预先设计好的机器人结构方案，组装四条腿的部件、头部、尾部以及机器人主体部分，最后组装到一块，形成完整的整体结构。 4、连接电线 由于我们此次使用的是创意之星的标准套件，舵机接线、传感器模拟与数字端口的连接都及其方便简单。 5、设置各个舵机的限制参数 一方面保护所使用器件的性能，防止过载或错误操作而将其损坏；另一方面
工业机器人机械结构模块化设计 发表时间：2019-08-05T15:48:34.500Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：林积新 [导读] 摘要：本文在对市场上常见的各种工业机器人进行功能分析前提下，根据其结构不同进行模块化划分，将工业机器人按通用模块的不同划分为六种模块，分别是终端执行器、绕z轴旋转臂、绕x（y）轴俯摆臂、沿X轴平移、平移转动、升降底座、AGV移动平台六种模块。 身份证号码：44098219890928XXXX 摘要：本文在对市场上常见的各种工业机器人进行功能分析前提下，根据其结构不同进行模块化划分，将工业机器人按通用模块的不同划分为六种模块，分别是终端执行器、绕z轴旋转臂、绕x（y）轴俯摆臂、沿X轴平移、平移转动、升降底座、AGV移动平台六种模块。当客户提出不同的机器人设计需求时，仅需按照其实际工况和技术要求来对接合适的模块种类，然后按照相关的技术标准完成模块装配，可以迅速完成客户所需的工业机器人设计。本文结合实际应用例子，论述了工业机器人模块化设计在提升设计效率的作用，为以后的工业机器人在生产应用中提供了一定的借鉴和参考价值。 关键词：工业机器人；模块化设计；效率 引言 随着中国的“中国制造2025”目标的提出，很多研发企业都围绕工业机器人的实际应用需求，在开发新的复合市场需要的工业机器人产品加大投入。随着设计技术的进步，设计机器人时标准化、模块化也是必不可少的内容，为机器人快速响应多样化需求打下基础。同时，也有利于进一步扩大机器人的实际应用市场。根据现今工业机器人的发展推测，将来的30年工业机器人技术都将是一个高速增长时期，任何一个企业只要能够设计制造出符合当今社会迅速变化的工业机器人，将占领大量的未来市场，赢得丰厚的市场回报。但是就目前而言，工业机器人的设计周期长、投资成本太高，其对应的应用范围局限性较大，以上这些限制因素都使的它们难以适应当今速变化的市场需求。所以工业机器人模块化设计在未来提供设计效率上尤为重要。 一工业机器人模块化划分 （一）模块划分的方法和理论 本文在讲过长期的市场调查以及工业机器人的功能分析过程中，通过大数据分析以及总结，将机器人产品详细的划分成了具有特定作用的但又相对通用的功能模块，同时也根据相关的标准确定了其对应的定义模块接口和要求。因此模块化划分工业机器人，需要考虑到以下三点因素：第一，模块划分的基本原则就是用最少的模块组合最多的产品；第二，所划分的模块其结构和功能都是独立以及完整的；第三，为了使同功能的模块可以互换以及不同的模块可以组合，所以所划分的模块其组合性以及互换性都要较高。 （二）模块划分及其功能 本文这次就以关节型机器人为例，进行相关的论述和分析，关节型机器人其主要的工作原理就是连杆利用关节交替连接而成。通过大数据对其的总结分析，可以将其分成六个模块，所划分的各模块以及其对应的解析如下图1所示。通过图一中的解析，可以确定其和机器人连杆平行的轴是z轴，而对应的垂直于机器人连杆的轴则是z、y轴。 图1 机器人模块 图1中的AGV智能移动模块（序号），已经成熟应用到工业生产和物流业中，能自主导向运载机器人移动特定区域；升降平台模块（序号2）则安装在AGV模块上，支撑机器人增大其在垂直方向的工作空间；绕Z轴旋转模块（序号3）则提供机器人在水平方向的圆周运动；平移模块（序号4）增加机器人在同一垂直面上的运动空间；绕X、Y以及在X轴的平移模块（序号5、6、7）增加了机器人在微小空间的自由度，更好地满足工作需求。终端执行器（序号8）可以分为吸附式、机械夹持式、其他三种类型，可以执行直接作业的功能。通过分析可以得出，工业机器人不同功能均可分解为以上若干模块的组合，为模块化设计提供依据。 二、如何实现模块化设计 （一）模块化设计流程 想要进行工业机器人的模块化、数字化、参数化设计，那么就要先有足够的符合用户需求的并且根据实际工况来划分完美的模块种类、数量和装配方式，这样才可以根据客户的需要来逐项确定各模块的尺寸和布置形式，而其尺寸和布置形式确定后，工业机器人的机械本体结构也就是设计完成了。本文提供如图3图示模块化工业机器人的设计流程。
百度文库 大连大学 本科毕业论文（设计）开题报告 李洋流 论 文 题 目: 学 院: 专 业、 班 级: 学 生 姓 名: 基于博创创新平台的家用清洁机器人设计 机械工程学院 机械设计制造及自动化机英 092班 卫斌乐
2013年3月20日填 、选题依据 1 .论文（设计）题目： 基于博创创新平台的家用清洁机器人设计 2.研究领域: 单片机及传感器系统设计 3.论文（设计）工作的理论意义和应用价值 当代科学技术发展的特点之一就是机械技术，电子技术和信息技术的结合，机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来。与传统的机器的区别在于，机器人有计算机控制系统，因而有一定的智能，人类可以编制动作程序，使它们完成各种不同的动作。随着计算机技术和智能技术的发展，极大地促进了机器人研究水平的提高。现在机器人已成为一个庞大的家族，科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要，把机器人设计成不同的 结构和外形，以便让他们在特殊条件下出色地完成任务。机器人成了人类最忠实可靠的朋友，在生产建设和科研工作中发挥着越来越大的作用。 家庭清洁机器人不但能够代替人乏味的体力劳动，还有其他人们所不具备的优点，可以 24小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境。因此，家庭清洁机器人是人 体局部功能的延长和发展。21世纪是敏捷制造的时代，家庭清洁机器必将在敏捷制造系统中 应用广泛。 4?目前研究的概况和发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代机器人有以下几个发展趋势: 1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； 2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多 自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； 3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作 对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、 动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 、论文(设计)研究的内容
电子科技大学 “创意之星”模块化机 器人实验 机械电子工程学院 2010 年3 月
目录 实验一MULTIFLEX控制卡编程实验 (1) 实验二多自由度串联式机械手 (10) 实验三简易四足机器人 (15) 实验四轮式机器人运动控制实验 (19) 实验五机器人传感系统实验 (24) 实验六自主避障机器人实验 (27) 实验七追光的机器爬虫 (37) 实验八开放性实验：设计自己的机器人 (48)
实验一MultiFLEX 控制卡编程实验 实验目的 （1）了解MultiFLEX控制卡的基本结构； （2）了解WinAVR+AVRStudio编译环境的使用； （3）了解C 语言环境下编写控制程序，并编译、下载到MultiFLEX 控制器中执行的流程 （4）熟悉关于AVR 单片机的io 口有关的寄存器的概念、作用 （5）理解函数gpio_mode_set()，write_gpio()，read_gpio()的定义，掌握其用法 （6）熟悉并掌握利用2 中的3 个函数控制MultiFLEX 控制卡的16 路IO 口实验环境： UP-MRcommander 控制软件 实验器材： 计算机1台 MultiFLEX 控制卡1块 控制卡电源线1根 串口下载线1根 232电缆1根 USB转232电缆1根 舵机4个 舵机延长线4根 实验步骤 1 WinAVR 以及AVRStudio 软件的安装 首先大家打开实验指导书配套光盘，在“MultiFLEX 控制卡\AVR MCU 开发资料”目录下，打开“WinAVR”文件夹，双击 “WinAVR-20060421-install.exe”完成WinAVR 的安装；然后打开“AVR Studio”文件夹，根据文件夹里面的安装说明进行AVRstudio 的安装，并将其升级到最新版本。 注意：请先安装WinAVR 再安装AVRStudio，这样WinAVR 才能自动嵌入到AVRStudio 中。 2 用3AVRStudio 建立一个工程 首先打开我们刚刚安装好的AVRStudio，会出现如下窗口：
创客中心建设方案 1.创客教学背景 “创客”源于英文单词Maker，在中文里“创”的含义是：创造、首创、开创、创立，它体现了一种通过行动和实践去发现问题、解决问题的做事原则。“创客”就是坚守创新，持续实践，乐于分享的一群人。 2015年1月28日，********、国务院总理**主持召开国务院常务会议，确定了支持发展“众创空间”的多项政策措施，明确要求“打造良好创业创新生态环境。培育创客文化，让创业创新蔚然成风”。 2015年3月2日，科技部“发展众创空间推进大众创新创业电视电话会议”中进一步强调，推进大众创新创业是新时期科技工作的重要任务，要按照党**、国务院决策部署，努力营造良好的创新创业生态环境，帮助大众创新创业者应用新技术、开发新产品、创造新需求、培育新市场、打造新经济。 要培育创客文化、广泛推广创客教学并不是中国特色的新事物。在过去几年内，美国高校中的学术性创客空间和制造类实验室迅速多了起来。而一些K12（美国基础教育的通称）学校也纷纷尝试在图书馆设立创客空间，或者改装教室以适应基于项目和实践的学**。 其实，对学校而言，开展“创客”教学更像是传统实践教育在数字时代的“升级版”，其精髓是将学生训练成为能独当一面的工程师，提高学生应对复杂应用需求的综合应对能力，加深学生的专业技能。这种人才培养模式陆续在德国、美国的工程院校、技术院校和科技院校中推进，取得了很好的效果。它把教学与实践、教室与工作室、知识获取和能力锻炼、教育文化和企业文化多方面融合，开创一种新型的人才培养模式。可以想象，如果每个科技类专业学生都具有创客精神，将会产生多大的价值空间。
2. 建设创客中心的构想 学生是创客的主体，在学生中间，有少数的创客，一部分很向往，绝大多数表示支持。让创客们继续坚持，让大多数人参与进来，如果没有大力组织推动，就不太可能。简单讲，对学生而言不缺乏积极性和钻研兴趣，缺乏的是氛围和场地。因此，创客中心应该满足学生群体的基本需求。 对于教师日常教学而言，创客可以激发学生的学**主动性，带着项目任务和实践中的目标去学**，能让教学过程体现出更大的趣味性、深度和价值。通过创客中心的建设，产生一种新型的教学方式或文化并延续下来，也是教学改革创新的需求。 对学校而言，创客没有专业的隔阂，创客文化的传播是一个学校整体性的活动。如果将创客教育作为一种人才培养的模式，创客精神就会逐渐发展为学校的一种学**氛围，产生这种氛围就应该是创客中心建设的意义。 从学生、教师、学校三个层次的需求出发，构建一个创客中心的平台，这个平台能给入门级的学生提供一个训练场所，通过项目推动，引导学生动手实践，实现想法，项目可由老师的研究课题延伸，或自由命题，重在领入门和培养兴趣，对于大部分学生，通过开课做普及性的培训，对于拔尖学生，有一个固定的活动场所和团队组织。 3. 建设的目标 第一，明确一个方向：广义的创客没有学科的限制，增加了建设的难度。根据高等理工科类院校的实际情况，机电一体化、机器人技术涵盖了机械、电子、计算机信息等学科技术，覆盖面广、综合性强，具有一定的技术深度，适合全面推广。 第二，确定两个目标：实际创客中心针对的是两个群体，一个是没有创客概念、但有兴趣愿意尝试的，对于这一群体，重点是“领进来”进行“培养基础”，培养之后，有一部分人能坚持，掌握了一定的技能，并已经融入创客文化的，成为另外一个群体，对这个群体的培养应该是着重引导创新。因此，创客中心建设的核心目标应该是“培养基础”和“引导创新”。简称“培养”、“创新”。
第十八届中国青少年机器人竞赛 机器人创意比赛主题与规则 1关于机器人创意比赛 机器人创意比赛是基于每年一度的中国青少年机器人竞赛的主题与规则，组织在校中小学生机器人爱好者，花费6 个月左右的时间，在课题导师或教练员的指导下，在学校、家庭、校外机器人工作室或科技实验室，以个人或小组的方式，进行机器人的创意、设计、编程与制作，最后提交机器人实体作品参加中国青少年机器人竞赛组委会举办的机器人创意比赛活动。 机器人创意比赛对于培养学生学习与综合运用机器人技术、电子信息技术、工程技术，激发创新思维潜能，提高综合设计和制作的能力，培养学生开展科学研究基本素质极为有益。 2主题 2.1主题简介 本届机器人创意比赛主题选定为“家庭服务机器人”，旨在促进青少年了解机器人技术在帮助人类家庭生活方面的作用，并使得同学们在探索机器人知识、技能的过程中树立终身学习的理念。 2.2示例 “家庭服务机器人”的选题相当宽泛，可谓多姿多彩，很适合作为中小学生机器人创意的主题。下面的三个机器人的创意仅仅是为了抛砖引玉，实际应用的机器人远不止这些。 送餐机器人 根据室内房间面积和楼层高度，来安装机器人视觉能识别的航标（此航标安装精度要求很高）。设定餐桌位置及转弯位置，由此形成机器人可识别的电子地图。根据此地图机器人形成自动记忆导航并沿着航标指引方向准确无误地到达餐桌完成送餐任务和返回原点！由于机器人的自动记忆导航功能、视觉校正功能，后台调度控制系统可调度多台机器人同时运行，任务优先，柔性化更好，路径最短，效率更高！语音报菜名及障碍物语音提示内容：可自行录制方言或特色语言，方便添加更改。
图1 送餐机器人 ●烹饪机器人 图2 烹饪机器人 在上海世博会的企业联合馆曾展出一种厨师机器人，它头戴厨师帽名叫“爱可”，这个厨师机器人高约2m，宽1.8m。拉开“爱可”肚子上的拉门，里面有特制的烹调设备，有锅，有自动喷油，喷水和搅拌设备，与之相连接的是一个智能化触摸屏，上面是系统控制界面，根据工作人员事先设定好的特级厨师菜谱，“爱可”一共可以独立烹调24 种中华美食。只要按照程序“下单”，头戴专业厨师帽的机器人便会像模像样地开始准备：将早以“定量”好的主料、配料和调料都放在一个专用盒子里；然后又将它们放入炒锅中，放上油、水，炒锅开始旋转，将食材充分搅拌，然后点火，炒锅不停翻转，就像人炒菜一样，大约三分钟后，一盘佳肴就做呈现在顾客面前。 烹饪机器人的市场前景还是非常的巨大的，随着人们生活水平的提高，再加上社会节奏的加快，为了给自己拥有更多的时间和空间，在中国，厨师机器人将会进入千家万户。 ●草坪修剪机器人
SolidSnake-II ——模块化机器蛇概述一、应用背景： 近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使蛇形机器人成为研究的亮点。 二、SolidSnake II 实验样机概述： SolidSnake II 结合了国内外蛇形机器人的发展现状，充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。在对蛇类运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器蛇运动的速率和运动方向的规律，并在实验中得到了验证。 三、solid snake – II 创新点详述 一）、模块化的机构设计： 采用模块化的机构设计，可以很快的 组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以 实现任意节数的组合，以适应不同的应用 场合。单元体模块组成部件有：两节壳体， 两个伺服电机，一块从机控制板。 机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉 即可对接一个单元体。 一个模块化单元体为一个正交 的关节，有两个正交方向的自由度， 在机械结构与控制结构上均自成一 体，通过总线与其他从机及主机通 讯。 标准配置的SolidSnake-II 带有 外接电池。但用户可以自行加装电池 到每个单元关节，以便无缆运行。
创意之星机器人说明书
目录 1结构套件简介 (3) 1.1 结构件概述 (3) 1.2 ConnFLEX连接结构 (3) 1.3 不同版本......................................................................................................... .. (4) 1.4 使用零件3D模型 (6) 2控制器及电源 (7) 2.1 MultiFLEX?2-A VR控制器 (8) 2.2 MultiFLEX?2-PXA270控制器 (9) 2.3 电池和直流电源 (12) 3传感器 (12) 3.1传感器的信号类型及电气规范 (13) 3.2“创意之星”传感器接口 (14) 3.1接近传感器 ...................................................................................................... (16) 3.2 测距传感器 (19) 3.3 声音传感器 (24) 3.4 碰撞传感器 (26) 3.5 倾覆传感器 (26) 3.6 温度传感器 (27) 3.7 光强传感器 (27) 3.8 灰度传感器 (28) 3.9 视觉和语音传感器 (28) 4执行器 (29) 4.1 CDS5516机器人舵机 (29) 4.2 CDS5401大扭矩R/C舵机 (32) 4.3 BDMC1203电机驱动模块 (33) 4.4 Faulhaber大功率减速电机 (34) 5 NorthSTAR 图形化开发环境 (35) 5.1 安装及使用介绍 (35) 5.2 使用流程图开发 (39) 5.3 手写代码开发 (46) 5.4 调试与在线监控 (47) 6 其它部件 (54) 6.1 UP-Debugger 下载调试器 (54) 6.2 WiFi 无线网卡或以太网线缆 (55) 6.3 ZigBee无线模组 (56)
Inspire your Imagination 创意之星?模块化机器人套件 完全介绍 目录 目录 (1) 1 产品介绍 (2) 1.1 概述和主要特点 (2) 1.2 适用领域 (2) 1.3 创意之星可以构成这些机器人，并且更多！ (3) 1.4 产品照片 (6) 2 适合不同用户的三个版本 (7) 2.1 创意之星?机器人套件标准版 (7) 2.2 创意之星?机器人套件入门版 (9) 2.3 创意之星?机器人套件高级版 (11) 3 关键技术介绍 (14) 3.1 创新的结构连接方式 (14) 3.2 MultiFLEX2控制器 (15) 3.3 NorthSTAR软件开发环境 (17) 3.4 机器人舵机 (19) 4 “创意之星”机器人套件组装实例图片 (21)
1 产品介绍 1.1 概述和主要特点 博创科技刚刚推出了最新的UP-InnoSTAR?创意之星?机器人套件产品，以替换上一代“创意之星”产品。该套件是一套用于开展机器人创新实验的模块化机器人套件。分为入门版、标准版和高级版，并有多种配件可选购。 “创意之星?”机器人套件的总体特点类似LEGO Mindstorms?NXT套件，都是具备多种基本“积木”构件的模块化零件套装，包括多种数百个结构零件，一个控制器，多个电机、舵机执行器，多种传感器，以及电池、电缆等附件。用这些“积木”可以搭建出各种发挥想象力的机器人模型来。 所不同的是，“创意之星?”机器人套件主要为创作机器人而设计。具备32位520MHz 的处理器，可处理视频、语音、大容量存储；支持最多254个CDS5500总线式舵机（也可作减速电机使用，指令兼容Robotis的Dynamixel AX12+），并同时具备多个I/O和A/D转换器，以及USB、Wi-Fi等端口。另外，机器人的结构件和创新的连接方式专为创作机器人而设计，连接刚度和结构强度不逊色于铝合金构件，并且连接非常方便。 这样的一套机器人套件可以搭建出无数种机器人构型！ “创意之星?”机器人套件配有《构型搭建指南》和《机器人编程实验指导书》等文档，并提供所有构件的3D模型，以及20多种典型构型的装配体3D模型，便于用户学习，并可用于搭建虚拟样机。通过多种典型的机器人构型及其控制系统搭建范例，由浅入深的指引学生搭建机器人结构并学习传感、执行、控制原理和应用，学习机器人控制算法，并发挥创造力，搭建出独特的机器人样机。 “创意之星?”机器人套件具有多种开发方式。初学者可以使用流程图编程软件来给机器人编程；高级用户则可以使用C语言来编程，并可以使用软示波器、3D仿真工具来设计机器人行为，具有极高的透明度和灵活性。 在标准版和高级版两个版本中，还提供MultiFLEX?2控制卡的电路图和参考源程序，以便学生用C语言编写复杂的机器人程序，也可制作自己的机器人控制器。用户可以根据我们提供的技术资料搭建3D虚拟样机、开发自己的机器人控制卡、传感器等等，经由模仿，走向自主创新！ 1.2 适用领域 l适合作为大学工科学生的创新实训课程教具和实验器材。 l适合作为大学工科学生的课程设计或者毕业设计平台。 l适合机器人研究者在用于验证理论算法、验证学术论文的结论。 l适合机器人研究者在开发新的机器人之前搭建快速原型，验证原理和可行性。 l适合机器人发烧友用于创作独特的、自己的机器人样机。 l适合初中、高中学生的机器人创作和机器人相关实践活动。
如对您有帮助，请购买打赏，谢谢您！ 机器人创意说明书 创意题目：走轨迹的火车 申报者：朱昀韬、黄钰豪、陈康军 辅导老师：管小中 深圳市宝安区西乡街道中心小学 2006年4月15日 一、 创意的提出和说明 1、根据现况，提出创意 （1）火车运行的现况 现在的火车都是在铁轨上运行的，需要到处铺设 很多铁轨，在财力和物力上都需要大投入，并且还需 耗费很多时间才能完成。 （2）创意说明 如果我们把用有颜色的轨迹来代替铁轨，那么就只需涂上有颜色的轨迹，火车就能沿着轨迹运行，这样就会大大减少了财力和物力的投入，时间也节省不少。所以我们提出走轨迹的火车的创意。 二、创意的解决方案 走轨迹的火车场地假如为下图，为便于说明，我们在图上标注了A 、B 、C 、D 四个位置。机器人从位置A 出发，按下图所示的路线再回到A 就算完成任务。 ，为便于后面的说明，我们将其命名如下： 左边的灰度测量传感器：scabl_Left 中间的灰度测量传感器：scabl_Middle 右边的灰度测量传感器：scabl_Right 在A —B —C 段，机器人将黑线夹在 “scabl_Left_”和“scabl_Middle ”之间行走，“scabl_Right_”作为记数器，直到位置C ； 在C —B —D —A 段，机器人将黑线夹在 “scabl_ Middle _”和“scabl_Right ”之间行走， “scabl_Left_”作为记数器，直到位置A 。 三、 走轨迹的火车结构搭建 器材准备：机器人快车系统学习版3.0（1套）+ 灰度测量模块（1个）+ 发光模块（1个） 左 中 右 A C B D
模块化机器人竞技 一、参赛范围 1.参赛组别：小学组、初中组、高中组（含中职）。 2.参赛人数：1～2人/团队。 3.指导教师：1人（可空缺）。 4.每人限参加1个赛项、1支队伍。 二、竞赛流程 1.报名：参赛选手按地方组委会规定的方式和时间进行报名，报名成功的选手有参加地方选拔赛的资格。 2.地方选拔：依据全国组委会给定名额，确定地方入围选手，并按规定时间报送全国组委会。 3.全国决赛：入围选手现场确定一等奖、二等奖、三等奖，入围但未能到达决赛现场参赛的选手视为弃权，不予评奖。 三、竞赛环境 1.编程系统：CellRobot EDU电脑端程序等能够完成竞赛的编程软件。 2.编程电脑：参赛选手自带竞赛用笔记本电脑（Windows 7及以上操作系统），并保证比赛时笔记本电脑电量充足（可自备移动充电设备）。 3.移动设备：参赛选手自带装有CellRobot软件的手机或iPad，仅为比赛时操控机器人使用，不得用于信息传递或存储。
4.禁带设备：U盘、对讲机。 5.禁止携带资料、笔记及任何可以复制文件的工具进入竞赛现场；可以携带空白A4纸2张、签字笔或铅笔进入竞赛现场。 四、竞赛场地
1.场地尺寸：总长3000mm，总宽2000mm。 2.场地区域：比赛场地一共分为两个区域：自动任务区和手动任务区。自动任务区的任务：巡线任务、车库停车任务；手动任务区的任务：翻越障碍、物资搬运任务、折返任务。比赛固定任务是自动任务区的巡线任务和车库停车任务，非固定任务是手动任务区的任务，具体任务选择由裁判在现场比赛开始前，根据选手组别临时抽取。 3.各场地区域具体设置如下： （1）巡线任务区为平面，长和宽均为2000mm，平面上有黑色S 型轨迹线，线宽60mm，轨迹线两侧10cm处（无确定地点）会出现“陷阱旗子”，机器人在巡线过程中如果撞倒旗子，会减掉相应的分数。 （2）车库停车任务区，单个车库长和宽约为330mm，车库区整体长和宽均为1000mm；车库区最右侧，每个车库正前方约600mm处都有1块挡板，作为车库指示牌。 （3）翻越障碍任务区：障碍区由一块长1000mm、宽500mm、高60mm的木板构成。 （4）物资搬运任务区：该区域长和宽均为1000mm，区域中心位置为仓库，用来存放货物，仓库直径为300mm；区域四个直角方向分别有4个物资，物资区域直径为100mm。 （5）折返任务区：该区域长和宽均为1000mm。 4.起点与得分区： 起点位于比赛场地巡线任务的起点，得分区详见下文的“七、评分标准”。
万方数据
万方数据
万方数据
工业机器人模块化设计研究 作者：陈航， 殷国富， 赵伟， 周晓军， CHEN Hang， YIN Guo-fu， ZHAO Wei， ZHOU Xiao-jun 作者单位：陈航,殷国富,赵伟,CHEN Hang,YIN Guo-fu,ZHAO Wei(四川大学,制造科学与工程学院,四川,成都,610065)， 周晓军,ZHOU Xiao-jun(成都广泰实业有限公司,四川,成都,610165) 刊名： 机械 英文刊名：MACHINERY 年，卷(期)：2009,36(3) 被引用次数：2次 参考文献(6条) 1.郭洪红工业机器人技术 2006 2.贾庆轩;杨磊;孙汉旭;马国伟 郐永涛机器人模块化关节的设计与实现[期刊论文]-机电产品开发与创新 2005(06) 3.费燕琼;赵锡芳;徐卫良机器人模块化的结构设计研究[期刊论文]-机器人 1999(05) 4.吴振彪工业机器人 1997 5.张兴国;刘明工业机器人组合式模块化结构设计研究[期刊论文]-制造业自动化 2008(07) 6.单以才机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究[学位论文] 2003 本文读者也读过(5条) 1.张兴国.刘明.ZHANG Xing-guo.LIU Ming工业机器人组合式模块化结构设计研究[期刊论文]-制造业自动化2008,30(7) 2.焦恩璋经济型模块化工业机器人的前期研究[期刊论文]-制造业自动化2002,24(2) 3.赵亮.闫华晓.俞剑江.ZHAO Liang.AN Hua-xiao.YU Jian-jiang基于关节模块的模块化工业机器人[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术2008(9) 4.杨彦涛.孟令启.吴晓铃.YANG Yan-tao.MENG Ling-qi.WU Xiao-ling输灰管道清洗机器人系统的模块化设计[期刊论文]-郑州大学学报（理学版）2008,40(1) 5.梁飞华.邓宇.曾亚森.邢镇容AutoCAD.VBA与MATLAB环境下工业机器人仿真系统[期刊论文]-茂名学院学报2005,15(3) 引证文献(2条) 1.刘爽.殷国富.李雪琴.周晓军可重构模块化工业机器人构形及其静力学分析[期刊论文]-机械设计与制造 2011(11) 2.舒畅.熊蓉.傅周东基于模块化设计方法的服务机器人结构设计[期刊论文]-机电工程 2010(2) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/df10123430.html,/Periodical_jx200903020.aspx