可重构模块化机器人

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。

可重构机器人系统的设计与实现随着科技的不断发展，人们对于机器人技术的需求也越来越大。

机器人在工业生产、医疗辅助、社区服务、消费市场等领域得到了广泛应用。

然而，机器人的高度特化和低适应性也成为了制约其发展的一个重要因素。

为了解决这个问题，可重构机器人系统应运而生。

可重构机器人系统是一种将机器人控制策略和行为策略分离，同时具有适应性和灵活性的机器人系统。

它能够根据不同任务和环境的需求，通过重新编程或者重组不同的模块，实现自主选择最优的控制策略和行为策略，从而最大化其性能。

一、可重构机器人系统的设计原则1. 分离控制策略和行为策略传统机器人系统的控制策略和行为策略是耦合在一起的，难以适应不同的环境和任务。

可重构机器人系统应该将控制策略和行为策略分离开来，形成多层次、多模型的控制体系结构，从而可以灵活地选择最优的策略。

2. 提高系统的模块化和可扩展性可重构机器人系统应该采用模块化设计和开放式接口，使得各个模块之间的通信和数据交换更加便捷。

同时，该系统应该具有可扩展性，可以根据实际需要添加或删除某些模块，而不会对整体系统造成影响。

3. 实现自主学习和自适应性可重构机器人系统应该具有自主学习和自适应性，可以通过学习和探索环境来改善其性能。

这需要系统具备感知、判断和决策的能力，能够根据环境的变化自主调整控制策略和行为策略，从而提高自身的适应性和灵活性。

二、可重构机器人系统的实现方法1. 基于模块化控制的方法该方法通过将机器人系统分解成多个模块，每个模块负责一个子任务或者一个功能，然后通过各个模块之间的通信和协作来完成整个系统的任务。

这种方法可以提高系统的模块化和可扩展性，但同时也可能造成系统的复杂性和运行效率的降低。

2. 基于行为特征的方法该方法通过将机器人的行为特征分析出来，然后将这些行为特征组合成不同的控制策略和行为策略，从而实现自主选择最优策略的功能。

这种方法可以灵活地适应不同场景和任务的需求，但同时对于行为特征的提取和组合也提出了较高的要求。

模块化机器人的设计与实现近年来，随着科技的不断进步和人们对智能机器人需求的提高，模块化机器人成为了研究和开发的热点。

模块化机器人具有可拆卸、可组合的特点，使得机器人可以根据不同的任务需求进行灵活的组装。

本文将探讨模块化机器人的设计原理和实现方法。

一、模块化机器人的设计原理模块化机器人的设计原理基于模块化思维和模块化技术。

模块化思维强调将机器人的各个部分划分为相互独立的模块，每个模块具有特定的功能，模块之间可以进行组合和替换。

这种思维方式有利于提高机器人的灵活性和可维护性。

模块化技术是实现模块化机器人设计的基础。

主要包括模块标准化、接口设计和通信协议等方面。

模块标准化是指将机器人的各个模块进行统一的尺寸、接口和电气连接方式设计，以便于模块之间的组装和替换。

接口设计是指为每个模块设计合适的接口，使得模块之间可以进行有效的通信和数据交换。

通信协议是指定义模块之间的通信规则和数据格式，以保证模块之间的协同工作。

二、模块化机器人的实现方法模块化机器人的实现方法主要包括硬件设计和软件设计两个方面。

在硬件设计方面，需要注意以下几点。

首先，需要选择适合模块化设计的硬件结构，例如模块化机械臂、模块化传感器等。

其次，需要进行模块标准化设计，确保各个模块之间的尺寸和接口兼容。

此外，还需要考虑模块之间的电源供给和电气连接方式，以确保模块之间的正常工作和通信。

在软件设计方面，需要考虑以下几点。

首先，需要设计一个适合模块化机器人的操作系统，以管理模块之间的通信和协作。

其次，需要设计模块之间的通信协议，以确保模块之间的正确交互。

此外，还需要设计模块化机器人的控制算法和路径规划算法，以实现机器人的智能化操作和任务执行。

三、模块化机器人的应用前景模块化机器人的研究和应用前景广阔。

首先，模块化机器人可以应用于工业生产线上，实现自动化生产和灵活的任务分配。

其次，模块化机器人可以应用于医疗领域，实现手术机器人和康复机器人的定制化设计和灵活组装。

可重构机器人手指关节的设计与优化近年来，随着机器人技术的不断进步和应用领域的拓展，人们对可重构机器人的需求与日俱增。

可重构机器人具有模块化结构，能够根据任务需求进行灵活组合和调整。

在可重构机器人的构成部件中，手指关节起着至关重要的作用，其设计与优化具有重要的理论和实践意义。

首先，手指关节的设计需要兼顾机械结构和运动控制。

在机械结构方面，传统的手指关节采用单一的驱动方式，如电机驱动或气动驱动。

然而，这种设计存在一些局限性，如电机驱动的手指关节在运动过程中容易出现抖动现象，气动驱动的手指关节受到压力控制的限制。

为了解决这些问题，一种可行的设计方案是采用多关节驱动的机械结构，通过合理配置关节和实现关节之间的协调运动，提高手指关节的稳定性和精确性。

其次，手指关节的优化需要考虑运动学模型和力学性能。

运动学模型是描述手指关节运动规律的数学模型，通过研究手指关节的转动轴、位移和速度等参数，可以实现对手指关节运动的精确控制。

力学性能涉及手指关节的承载能力和抗冲击性能等方面，既要保证手指关节能够承受较大的载荷，又要保证在受到冲击时不易损坏。

为了实现手指关节的优化设计，可以借助仿生学的原理和方法，模拟人体手指的结构和运动特点，从而提高机器人手指关节的性能。

此外，手指关节的设计和优化还需要考虑与人工智能的集成。

当前，人工智能技术在机器人领域得到了广泛应用，能够实现机器人的自主感知、决策和行动能力。

将人工智能技术与机器人手指关节的设计和优化相结合，可以实现更高水平的智能化操作。

例如，通过深度学习算法训练机器人手指关节的运动模式，使其能够自动适应不同的任务需求，并根据实时反馈信息进行调整和改进。

这种智能化设计可以大大提高机器人的生产效率和操作精度。

最后，可重构机器人手指关节的设计与优化还需要考虑工程实施的可行性和经济性。

在实际应用中，手指关节的设计和优化必须考虑到制造成本、维修成本和可持续性等因素。

因此，合理选择材料、采用成熟的制造工艺和优化的控制策略，对于提高手指关节的可靠性和经济性至关重要。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.3.1 Experimental Research using CPG signals (55)5.3.2 Experimental Research Evolving Locomotion (55)5.4 Summary (56)Conclusions (57)References (59)Statement of copyright and Letter of authorization (64)Acknowledgements (65)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景、意义及目的本硕士课题所做的研究工作主要是针对于链式结构的模块化自重构机器人，构建了三维联合动力学仿真平台，使用了由生物学原理的概念所启发的方法来对其进行运动规划，并利用了优化算法在仿真环境中对机器人系统的运动功能进行了进化。

伴随着机器人技术的不断发展进步，不仅仅是单调，危险的工作需要由机器人来完成，而且在非结构化，遥远和多变未知环境中的任务，比如深空探险，海底勘探，城市搜救，等等，也需要有机器人的参与。

这样一来需求的驱动就使得通用性强，适应能力强，自主的，以及稳定性高的机器人，成为了研究者们所关心的课题。

同时，构建生物体的细胞集能够表现出很多种类的功能这个事实，激发出了研究者们智慧的火花。

生物体具有自组织，自复制和自修复的功能，并且群体活动的生物能够通过彼此协调而完成单个生物个体所无法完成的功能。

如图1- 1 所示，蚂蚁群体可以彼此帮助而构成蚁桥而使其他的蚂蚁能够顺利地通过障碍。

从而研究者们提出了模块化可重构机器人的概念。

如果机器人能够自主地，不需要外界人类的参与，就能改变模块间所连接的方式，则称其为模块化自重构机器人。

图1- 1 蚁群构桥越障碍Fig.1-1 Bridge by ants to get over crag哈尔滨工业大学工学硕士学位论文模块化自重构机器人是将许多个模块以一定方式集合起来的机器人系统。

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．Murata一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：Benhabih0。

可重构模块化机器人在当今科技飞速发展的时代，机器人技术的进步可谓日新月异。

其中，可重构模块化机器人作为一个充满创新和潜力的领域，正逐渐引起人们的广泛关注。

什么是可重构模块化机器人呢？简单来说，它是由一系列具有特定功能的模块组成，这些模块可以根据不同的任务需求，像搭积木一样灵活地组合和重构，从而形成具有不同形态和功能的机器人。

想象一下，有一堆形状各异、功能不同的模块，有的可以移动，有的可以抓取物体，有的能够感知环境。

通过巧妙的组合和连接，它们可以瞬间变成一个能够在狭窄空间中穿梭的小型探测机器人；也可以重新组合成一个能够举起重物的大力士机器人；甚至还能变成一个外形酷似动物、能够适应复杂地形的仿生机器人。

这种灵活性和可重构性，正是可重构模块化机器人的魅力所在。

这种机器人的出现，带来了诸多优势。

首先，它具有极高的适应性。

面对各种各样复杂多变的任务环境和需求，传统机器人可能会因为其固定的结构和功能而显得力不从心。

但可重构模块化机器人却能够迅速调整自身的形态和功能，以最佳的方式去完成任务。

比如在灾难救援现场，它可以先以小巧灵活的形态进入废墟中进行探测，找到被困人员后，再重新组合成能够提供支撑和救援的结构。

其次，可重构模块化机器人的维护和升级也变得更加便捷。

由于其模块化的设计，如果某个模块出现故障，只需更换相应的模块即可，而不必对整个机器人进行大修。

而且，当有新的技术和功能出现时，也可以通过添加新的模块来实现机器人的升级，无需淘汰整个旧机型，大大降低了成本。

再者，它还为机器人的研发和创新提供了更广阔的空间。

不同的研究人员和团队可以专注于开发特定功能的模块，然后通过共享和组合这些模块，创造出更多新颖、实用的机器人应用。

然而，要实现可重构模块化机器人的广泛应用，还面临着不少挑战。

首先是模块之间的连接和通信问题。

为了确保机器人在重构过程中各个模块能够稳定、高效地协同工作，需要设计出可靠、快速的连接和通信机制。

这不仅涉及到机械结构的设计，还包括电子电路和软件算法的优化。

国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案第一章机器人技术与应用一、判断1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。

（√）2.19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。

（×）3.对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。

（√）4.所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

（×）5.机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。

（×）6.机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。

（√）7.为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。

（√）8.轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。

（×）9.为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。

（√）10.履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。

（√）11.腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。

（√）12.机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。

（×）13.球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。

（√）14.可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。

（×）15.感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。

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。