可重构模块化机器人
构型的研究
组成模块研究
• 包括模块的形 • 目的：找到最 式、种类、机 优装配构型完 旋量和 械结构、控制 成指定任务。 指数积 电路、机械与 考虑三个问题 电气的连接接 :构形的表达 口等方面 方法、构形的 评价标准、构 形的优化 有根树状拓 神经网络
扑结构图及 组合理论 遗传算法
模块化关节构型
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
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
可重构模块化机器人
主要研究内容
工业机器人的国内外发展趋势
第一阶段：示教再现型机器人
第二阶段：离线编程机器人 第三阶段：智能机器人
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。
SCARA型工业 机器人主要用 于高精密的水 平作业
传统工业机器人 是基于给定工作 任务设计的
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。 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、通信模块等以搭 积木的方式构成。
• 北京航空航天大学开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人，研究了模块化 的机械电气结构和控制方法实现，采用实时嵌入式控制系统实现分布式控制
国内可重构模块化机器人研究现状
6-DOF构型是一 种典型机器人 的较复杂构型。 图由2个回转关 节、2个摆动关 节、2-DOF手腕、 夹持器、螺纹 连接模块以及 关连末基 辅助模块底座、 节杆端础 底板、支持架 模模件单 等。
由PowerCube模块构成的6 自由度构型的三种形式
国外可重构模块化 机器人研究现状
美国的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。
模块系 列 不同尺 寸配置
0பைடு நூலகம்
0 90 -90
-119.7
94 94 0
0
90 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
皇冠齿一般 用于90度变 向传动。若 采用锥齿轮， 需配对，也 不利于传动 比的调整。
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。
ABB的机器人智能3D 视觉系统通过视觉系 统引导机器人
安川DX100控制系统 可同步控制8个工业 机器人
传统工业机器人
皇冠齿轮
模块化关节结构设计
垂直式模块化关节
为便于分布式管理，各 模块需具备一定单元自 治能力，拟集成下位机 控制芯片
平行式模块化关节
自主研制垂直关节、平 行关节、十字交叉关节、 前驱动的两自由度机器 人关节等机构设计
可重构机器人关节集成组件体系
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 硬件方面，将每个模块单元划分为 物理构件层、OS/驱动层、中间件 层和物理数据交换层，各模块之间 可以通过RS232或高速以太网等方 式数据通信 用分层管理 法任务管理 为便于分布式管理，各模块还需 具备一定单元自治能力，包括基 本通信功能、传感信息反馈功能 等自主管理能力
信息状态行 为；协商状 态行为；动 机状态行为
人的特征
基于MAS的协同控制问题
行政管理组织结构 (集中式)
完全自治式组织结构 (分布式)
问题求解组织结构 (混合式).
• 主从式层次结构，据 工作范围和职能
• 管理Agent
• 功能Agent • 应用Agent
Agent自主实现自 己目标. 灵活性、 社会性和自治性, 稳定性和可控性 较差
模块化可重构机器人研究内容
系统运动学动 力学研究 • 传统运动学及 动力学求解方 法不适合, 探 索新方法，与 构型无关, 在 构型改变后生 成新的运动学 和动力学模型 系统控制策略、 软件重构研究 • 满足实时控制 需要。随构型 变化, 控制软 件变化, 软件 的重构。 基于多Agent 的分布式控制
基于MAS的协同控制问题
动作输出
可直接运行 ，对自己行 为有控制能 力 可与其他 Agent或人 通信交流
自治性
社会性
Agent
预动性
可主动发起 表现目标引 导的行为
环境
Agen t
反应性
可感知环境 并作出反应
传感器输入 MAS是由多个Agent组成的集合, Agent之间以及Agent与环境之间 通讯、协商与协作。多个Agent 相互合作，广任务领域、高效率、 改良系统性能、错误容忍、鲁棒 性、分布式的感知与作用、内在 的并行性
静态可重构机器人 动态可重构机器人
国外可重构模块化机器人研究现状
MRR可重构模块化系统
构型数 量少， 自重大
国外可重构模块化机器人研究现状
多伦多大学的模 块机器人系统 （MRS）包括两 种1-DOF主关节模 块（转动和移 动），三种1-DOF 腕关节模块(Yaw, pitch, and roll type)。连杆模块 是中空的圆柱形。
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 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
机械臂 实体
国外可重构模块化机器人研究现状
美国 敏捷系统公司
瑞典
丹麦
ABB
Universal robot
国内可重构模块化机器人研究现状
• 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
美国敏捷系统工程公司机械臂
关节构型图
2+2+2
只能实现摆动 和同轴回转
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 三维建模
2+1+3
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
1种关节模块 1种连杆模块 1种连接模块
MRS模块及其组成的SCARA类型机器人
国外可重构模块化机器人研究现状
TOSHIBA公司的 TOMMS系统概 念图
Habibi等研究的 重构液压驱动 工业机器人
新加坡南洋理 工的串联机器 人构型
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 PowerCube模块及应用实例
• 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 • 东北大学的李树军、张艳丽等对可重构模块化机器人模块的结构进行了研究，并归纳设计 出3 种1 自由度的关节模块，2 种连杆模块和2 种辅助模块共7 种功能模块 • 北京邮电大学和北京工业大学利用PowerCube模块，进行了可重构机器人系统的研究 • 中国科学院沈阳自动化研究所基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统 (Reconfigurable planetary robot system, RPRS)，还提出了一种模块可重构、自动变形的链式 可重构模块机器人平台
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。
FANUC离线编工 具ROBOGUIDE
ABB机器人离线 编程与仿真软 件RobotStudio
多机器人系统
多机器人 路径规划
基于环境模型
基于传感器信息
基于行为
完全已知环境
栅格法
自由空间法 可视图法和拓扑法 Voronoi图法
多机器人系统
• 分布式人工智能(DAI) 成为人工智能研究的一个重要分支
