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。

变形金刚般的可重构机器人近年来，科学技术飞快发展，各种先进机器人不断涌现。

其中，最近几年备受关注的可重构机器人（reconfigurable robot）越来越引起人们的瞩目。

这种机器人具有变形金刚般的可变形态，在改变自身结构的同时还拥有较强的适应性和智能化程度，其应用范围十分广泛。

本文将从可重构机器人技术的基本概念、应用领域和未来发展等方面展开探讨。

**一、可重构机器人技术的基本概念**可重构机器人是指一种可以改变自身形态和结构，以适应特定环境或任务要求的机器人系统。

其形态可包括机器人的大小、形状、结构等方面，完全可以根据不同应用环境和任务的需要进行灵活的变形。

可重构机器人的核心技术主要有机构和控制两个方面。

机构方面，可重构的机器人需要有可调节的结构和机构，使机器人可以随时完成形态转变。

从机构上来看，可重构机器人常常采用元模块（meta-module）的思想，即将机器人分解为若干个模块化组成部分，组合和排列这些元模块即可实现机器人构形的快速变换。

控制方面，可重构机器人需要完成特定的变形映射，以及适应特定任务的运动规划和控制策略。

这就要求机器人的控制系统具有高度的智能化和适应性，能够根据环境变化和任务要求灵活进行结构和运动控制。

**二、可重构机器人的应用领域**随着机器人技术和人工智能技术的不断发展，可重构机器人越来越多的被应用于不同领域，并取得了一定的成果。

下面介绍几个典型的应用领域。

**1.太空探索**太空探索一直是科学家们十分关注的领域，而可重构机器人则可以为太空活动提供强有力的支持。

在太空探索中，机器人需要在狭小且危险的环境中完成任务，而可重构机器人正是能够适应这种环境的理想选择。

例如，可重构机器人可以根据任务需要调整自身形体，从而完成不同的太空操作。

此外，它还可以配备可重构附属设备，在完成任务的同时还能改变自身的结构，以适应更复杂的太空任务。

**2.救援和灾害应对**灾害和紧急情况经常需要进行救援和清理工作。

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。

可重构模块化机器人系统关键技术研究共3篇可重构模块化机器人系统关键技术研究1可重构模块化机器人系统关键技术研究机器人技术是当今世界热门研究领域之一。

在工业、医疗、教育、服务等领域中，机器人技术正发挥着越来越重要的作用。

可重构模块化机器人系统是一种新型机器人系统，其具有模块化、可重构和自适应等特点，可以实现机器人的快速配置和灵活性控制。

本文将探讨可重构模块化机器人系统的关键技术及其应用。

一、模块化设计模块化设计是可重构模块化机器人系统的核心技术。

模块化设计实际上是系统工程的一种设计思想，即将整个系统划分为若干模块，通过模块间的接口进行耦合，从而实现系统的快速配置和灵活性控制。

在可重构模块化机器人系统中，模块化设计就是将机器人系统划分为若干功能模块，并通过模块接口进行耦合。

二、模块化控制模块化控制是可重构模块化机器人系统的另一关键技术。

模块化控制实际上是对各功能模块进行控制的过程，通过对控制器的设计和实现，实现各模块之间的交互和协作。

在可重构模块化机器人系统中，模块化控制就是控制器的设计和实现，使各个模块之间具有良好的交互和协作能力。

三、自适应控制自适应控制是可重构模块化机器人系统的另一关键技术。

自适应控制实际上是对系统进行实时控制并对其进行优化的过程，使系统能够自主地调整自身参数和控制策略，从而实现系统的稳定性和性能优化。

在可重构模块化机器人系统中，自适应控制就是通过对模块化系统进行在线监测和优化，使系统具有较高的稳定性和较优的性能。

四、应用研究可重构模块化机器人系统的应用研究正在逐步深入。

在工业领域，可重构模块化机器人系统广泛应用于生产线自动化和智能制造。

在医疗领域，可重构模块化机器人系统被应用于手术机器人和康复机器人。

在服务领域，可重构模块化机器人系统用于智能家居、智能餐厅和智能物流等方面。

可重构模块化机器人系统是机器人技术发展的重要方向之一。

随着人工智能、物联网、大数据和云计算等技术的不断发展和普及，可重构模块化机器人系统将会越来越重要。

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。

机器人可重构性设计及运动学控制随着机器人应用的不断扩大，其可重构性设计及运动学控制的研究也越来越受到关注。

机器人的可重构性是指机器人可以通过改变其结构以适应不同的任务和环境。

而运动学控制则是指控制机器人的运动学参数，使机器人能够完成特定的任务。

本文将介绍机器人的可重构性设计及运动学控制的相关研究进展。

一、机器人可重构性设计机器人可重构性设计是指机器人可以通过改变其结构以适应不同的任务和环境。

这种设计可以使机器人具有更大的灵活性和适应性，同时也可以降低机器人的使用成本。

目前，机器人的可重构性设计主要包括以下几种方式：1. 模块化设计模块化设计是指将机器人分成多个模块，每个模块都具有特定的功能，可以通过组合来实现不同的任务。

这种设计可以使机器人的结构更加灵活，同时也可以降低机器人的使用成本。

2. 可变形机器人可变形机器人是指机器人可以通过改变其形态来适应不同的任务和环境。

这种设计可以使机器人具有更大的适应性，同时也可以降低机器人的使用成本。

3. 变换机器人变换机器人是指机器人可以通过改变其结构和形态来适应不同的任务和环境。

这种设计可以使机器人具有更大的灵活性和适应性，同时也可以降低机器人的使用成本。

二、机器人运动学控制机器人运动学控制是指控制机器人的运动学参数，使机器人能够完成特定的任务。

机器人的运动学参数包括位置、速度、加速度和朝向等。

常用的机器人运动学控制方法包括以下几种：1. 逆运动学逆运动学是指通过已知的机器人末端的位置和朝向，来计算机器人各关节的角度。

这种方法适用于一些特定的机器人任务，比如对物体进行精确的定位。

2. 正运动学正运动学是指通过已知机器人各关节的角度，来计算机器人末端的位置和朝向。

这种方法适用于机器人进行自主导航、运动规划等任务。

3. 控制方法控制方法包括PID控制、模型预测控制等。

这些控制方法可以用来控制机器人的运动学参数，使机器人能够完成特定的任务。

三、机器人可重构性设计与运动学控制的应用机器人的可重构性设计和运动学控制可以应用于各种领域，比如机器人制造、航空航天、医疗卫生等。

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。

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。

国家开放大学《机器人技术及应用》形考任务1-4参考答案形考任务1一、判断题1.1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它是全电动驱动、关节式结构、多中央处理器二级微机控制，可配置视觉感受器、具有触觉的力感受器，是技术较为先进的机器人。

（√）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。

（×）3.20世纪50年代中期，机械手中的液压装置被机械耦合所取代，如通用电气公司的巧手人机器人。

（×）4.第三阶段机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，称之为智能机器人。

（√）5.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。

（√）6.对于机械臂的设计方法主要包括为2点，即机构部分的设计和内部传感器与外部传感器的设计。

（×）7.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。

（√）8.刚体的自由度是指刚体具有独立运动的数目。

（√）9.刚体在空间中只有4个独立运动。

（×）10.工业机器人的最早研究可追溯到第一次大战后不久。

（×）11.构成运动副的两个构件之间的相对运动若是平面运动则称为平面运动副，若为空间运动则称为空间运动副。

（√）12.活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数就是该机构的自由度。

（√）13.机构自由度是机构具有独立运动的数目。

（√）14.机构自由度只取决于活动的构件数目。

（×）15.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。

（×）16.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。

专利名称：一种可重构模块化微型机器人及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：廖萌,孙浩,叶蕾,彭慧胜
申请号：CN201711130410.8
申请日：20171115
公开号：CN107962548A
公开日：
20180427
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明为一种自驱动可重构模块化机器人及其制备方法。

本发明的可重构模块化机器人，以经过铂纳米颗粒不对称修饰的碳纳米材料纤维作为组装单元，通过模块化组装方式首尾连接构成；组装单元上铂纳米颗粒在化学溶剂过氧化氢溶液中催化分解反应产生气泡，使纤维状组装单元在液面上获得稳定的推力矩，从而形成稳定的类定轴旋转；多根纤维状自驱动单元经结构设计与定向受力分析，通过模块化组装的方式得到高度可定制化的微型制动系统，根据实际使用场景需要达到稳定可控的旋转或直线位移运动；所述的碳纳米材料纤维为取向碳纳米管纤维或石墨烯纤维。

这种可重构模块化微型机器人在更加智能化、运动模式更加高度可控的微型机器人领域具有巨大的应用潜力。

申请人：复旦大学
地址：200433 上海市杨浦区邯郸路220号
国籍：CN
代理机构：上海正旦专利代理有限公司
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