模块化机器人设计

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AbstractNowadays,thedevelopmentofrobotsisadvancingbyleapsandbounds.Robotservicehascoveredallaspectsofpeople'slife,workandentertainment.Withtheincreasingdemandofhumanbeings,theexplorationofrobotfieldismoreandmorefaraway.Robotmodularizationtechnologyhasbeenwidelyusedinproductresearchanddevelopmentinvariousfields.Comparedwiththetraditionalrobot,modularrobotismoreflexible,selfrepairingability,highflexibility,andgoodfaulttoleranceandlowcost.Themodularstructureissimple,easytoprocess,eachmodulecanreplaceeachother,andtheassemblyisquickandeasy.Becauseofthereconfigurationofmodularrobotstructureandfunction,ithasastrongadaptabilitytotaskandenvironment.Modulartechnologyisbeneficialtothemaintenanceandmaintenanceofrobots,andshortensthetimeofrobotdesign.Therefore,thispaperwillusemodularmethodtodevelopanewrobotsystem,inthehopeofimprovingthecomplexityofrobotcontrol,lowuniversalityandtediousoperation.Thispaperisdividedintosixparts,thefirstpartistheintroductionmainlysummarizesthemodularrobotresearchbackground,significanceandresearchstatusquoofinsideandoutsideofthemodularrobot,thesecondpartdiscussesthedesignprincipleandmethodofmodularrobot,thethirdpartmainlydiscussesthedesignofrobotcontrolsystem,thefourthpartoftheanalysisofthemaster-slaverobotcontrolstrategy.Inthefifthpart,theconfigurationofrobotissummarized,andfinallyabriefsummaryismade.Keywords:robot;modularization;systemdesign;configuration目录摘要................................................................1Abstract............................................................2第一章绪论.........................................................41.1研究背景及意义...............................................41.2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...............................52.1模块的划分...................................................52.1.1模块化思想概述.........................................52.1.2模块划分原理...........................................62.2模块化设计方法...............................................62.3随遇平衡的实现...............................................62.3主机器人模块.................................................82.3.1I模块.................................................82.3.2T模块.................................................92.3.3应用模块化方法的效果..................................103.1控制系统硬件设计............................................103.2单片机最小系统模块..........................................113.3CAN通信模块设计............................................113.4控制器设计..................................................12第四章机器人主从控制策略..........................................124.1从机器人系统搭建............................................124.2同构型主从控制策略..........................................134.3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Omega7.0机器人，法国的MPBTechn机器人，美国研发出的phantomDesktop，以及gies公司生产出的Freedom6S机器人和HapticTechnologies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