可重构模块化 机器人
目录
工业机器人发展趋势 传统工业机器人
可重构模块化机器人国外发展现状 可重构模块化机器人国内发展现状
可重构模块化机器人特点
可重构模块化机器人
模块化关节构型 模块化关节结构设计 可重构机器人关节集成组件软硬件体系结构 基于多Agent的分布式控制方法
多机器人系统 主要研究内容
工业机器人的国内外发展趋势
ABB的机器人智能3D 视觉系统通过视觉系 统引导机器人
传统工业机器人 传统工业机器人 是基于给定工作 任务设计的
SCARA型工业 机器人主要用 于高精密的水 平作业
垂直关节型工
业机器人可绕 轴线俯仰摆动, 可绕轴线旋转
• SCARA型工业机器人 • 垂直关节型工业机器人
可重构模块化机器人
•传统工业机器人 结构造型一经设计就不 可改变,在工作环境和给 定任务发生改变的情况 下, 固定构型显现出了 很大的局限性。
国内可重构模块化机器人研究现状
较高刚度，模 块化与重构思 想不彻底
上海未来伙 伴机器人
较好开放性，精
度、刚度不足， 电缆外走线
上海英集斯
模块化可重构机器人(MRR)特点
一套构件，多种构型，生产快速重组，面向用户， 按需定制
集控制、通信、驱动、传动、感知功能于一体系 统开放，易于修改、重构、添加配置功能
第一阶段：示
教再现型机器 人
Unimate工业机器人 和Versatra：最早的、
最著名的、至今仍在 应用。
• 示教再现型机器人，主要由机器人本体运动控 制器和示教盒组成。由运动控制器解析执行示
教程序，实现预定动作。操作过程不具反馈能 力。
第二阶段：
离线编程 机器人
• 机器人编程系 统是采用离线 式计算机实体 模型仿真技术， 建立实体模型， 采用实际的正 逆解算法在离 线的情况路径 规划，编程三 维动画仿真， 检验正确性， 代码传递给控 制柜，运动控 制。
实例
国外可重构
模块化机器 人• 美研国的究现状
Robotics Research 公司 设计了系列化 的关节模块， 可组装成不同 尺寸，不同载 荷的7-DOF灵 巧机器人臂。 系统模块分为 侧滚和俯仰和 末端带执行器 机械接口的旋 转关节。
国外可重构模块化机器人研究现状
国内可重构模块化机器人研究现状
解决方法
模块化可重构机器人 (Modular reconfigurable robot, MRR)
• 模块化可重构机器人 MRR由一系列不同功 能和尺寸特征的、具 有一定装配结构的关 节模块、连杆模块、 末端执行器模块以及 相应的驱动、控制、 通静态信可重模构机块器人 等以搭积木 的动态方可重式构机构器人 成。
国外可重构模块化机器人研究现状
构型数 量少， 自重大
国外可重构模块化机器人研究现状
国外可重构模块化机器人研究现状
国外可重构模块化机器人研究现状
早期模块关节方形，有 多个表面可连接，构型 灵活，刚度精度不足
• AMTEC公司生产的
• 由PowerCube模块构成的6
PowerCube模块及应用 自由度构型的三种形式
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5
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0
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0
0
模块化关节构型
模块化关节结构设计
关节模块中的伺服 电机、减速机、检 测系统三位一体化
传动路线：电机、行星减速 器、皇冠齿轮、空心传动轴、 谐波减速器、输出法兰盘
模块化关节结构设计
• 垂直式模块化为关便于节分布式管理，各• 平行式模块化关自节主研制垂直关节、平
基于多Agent 的分布式控制
模块化关节构型
• 关节构型图
只能实现摆动 和同轴回转
•美国敏 捷系统
2+2+2
3种关节模块 2种连杆模块
模块化关节构型
• 逻辑位形图
• D-H参数表
模块化关节构型
模块化关节构型
• 丹麦UR机械臂
2+1+3
•三维模块两端连接面有快速 连接装置，相同尺寸系 列直接对接，不同尺寸 系列通过辅助模块 建模1种关节模块 1种连杆模块 1种连接模块
FANUC离线编工 具ROBOGUIDE
ABB机器人离线
编程与仿真软 件RobotStudio
第三阶段：
智能机器 人
• 不但携带各 种传感器， 具有对外界 环境的感知 能力，而且 具备一定程 度的独立判 断、记忆推 理和决策的 能力，能适 应外部对象、 环境的变化， 完成更加复 杂的动作。
安川DX100控制系统 可同步控制8个工业 机器人
• 上海交通大学的费燕琼在模块化的结构设计、运 动学正逆解生成和动力学生成等方面做了研究
• 清华大学的郑浩峻，汪劲松等将可重构单元划分 为摆动单元、旋转单元和辅助单元三类，利用组 合数学理论对其组合装配特性进行了分析
• 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， 将关节机器人的复杂控制转换为多个简单子系统 的控制
国内可重构模块化机器人研究现状
关 连 末基 节 杆 端础 模 模 件单 块 块 模元
块模 块
国内代表性商业产品：
上海未来伙伴机器人 有限公司的模块化机 械臂，设计基于 SCHUNK的PowerCube。 上海英集斯自动化技 术有限公司生产的模 块化机械手臂。上海 广茂达公司研制的AS 一MRobotE系列模块 化机器人产品
模块需具备一定单元自
行关节、十字交叉关节、
治能力，拟集成下位机
前驱动的两自由度机器
控制芯片
人关节等机构设计
可重构机器人关节集成组件体 系
用分层管理 法任务管理
软件方面，将整个控制软件体系从上到 下划分为功能应用层（运动规划与算法 层）、控制功能层和功能构件管理层， 在建立完备的基于构件的模块库的基础 上，通过进行准确的构件匹配实现组态 结构的软件系统
分布式控制，控制任务分散给分布模块完成，减 轻主控负担
标准以太网，模块通过快速数据通讯系统信息传 递
标准化机械和电气接口，多方向与其他模块连接
受结构局限，刚度、精度和负载自重比等不足。 兼具较好重构能力和操作性能成为重要方向
模块化可重构机器人研究内容
旋量和 指数积
有根树状拓
扑结构图及 组合理论
神经网络 遗传算法
模块化关节构型
2+2+2
改变关节组合方式 改变构型
增加摆动关节 增加构型
移动关节将电机 的转动用螺旋副 转化为沿其自身 轴线的往复移动
改变连接件形 状 改变关节构型
标准 构型
模块化关节构型
• 逻辑位形图
d i1
• D-H参数表
i1Biblioteka 0000
2
0
-90 137.5 -90
3
425
0 -119.7 0