模块化重组机器人

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:ModularDistributedControlSystem）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（ModularReconfigurableRobot）（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。模块化可重组移动机器人就是为了克服这些传统机器人的固有缺点而被提出的，它是一种高度模块化、可重构变形的移动机器人。1.2.2模块化机器人的特点模块化可重组移动机器人，顾名思义，其最大的两个特点就是：模块化和可重组性。模块化——即模块化机器人设计的中心思想。机器人由若干个相同的模块组成，每个模块都是一个相对独立完整的单元实体，模块由电源、传感、控制、动力、通信等几个单元组成，能独立实现一些简单的功能并能和其他模块进行通信。可重组性——机器人根据地形环境的改变或任务的需要而对自身的若干模块进行重组从而改变自身形态和运动方式。除了模块化和可重组特点以外，模块化机器人还有着系统设计简单化、造价低、可替代性、开放性、可自动修复以及强健性和高稳定性等特点。1、系统设计简单化、造价低。由于组成机器人的模块数量较多（几十个到几百甚至成千上万），整个机器人所要实现的功能被分离到众多的模块上，只要求每个模块实现有限的简单功能，因此，模块的结构就可以相当简化，其造价也相当低廉。而整个机器人系统由这些标准模块按一定的拓扑结构简单拼接而成，降低了整个机器人系统的复杂性和造价。2、可替代性。每个模块都被设计成相同的结构，任意两个模块之间都可以相互替代。虽然机器人在按特定的步态进行移动时，每个模块在整个机器人系统中扮演着不同的角色，但是它们功能都相同，即都可以被放在整体机构的任意位置进行工作。当机器人系统中某个模块发生故障时，可以适应另一个模块代替它以保证整个系统的正常工作。3、开放性强。模块化机器人系统是一个开放的系统，可以根据任务的不同选择不同数量的模块构成机器人整体。每个模块的性能都拥有一定的升级空间，机器人的整体性能可以通过模块性能的升级而得到改善。4、功能冗余性大。每个模块具有的功能都是一样的，它们之间可以相互替代，而每个模块在系统中实现的功能可能各不一样，因此每个模块在功能上都具有相当的冗余。5、可自动修复性。由于每个模块的功能都相同，如果一个模块出了问题，就可以用另一个模块来代替，并且丢弃故障模块，这就大大增强了机器人的自我修复能力。6、强健性、稳定性。冗余性和可修复功能的组合就增强了系统的强健性。另外，由于每个单元模块都被设计的非常简单，单元模块本身就有相当高的稳定性，而且每个模块在整个系统中都只实现非常有限的功能，对整个系统性能的影响也非常有限，这样即使少数模块出了问题，也不会对整个系统产生太大的影响，系统仍然可以正常的工作。相比而言，传统机器人各个环节耦合的比较紧凑，如果哪个环节出现问题，即使很小，对整个系统来说也可能是灾难性的。1.2.3模块化机器人的发展状况国外对模块化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组机器人系统主要有两类：一类是静态可重组机器人系统，另一类是动态可重组机器人系统。静态可重组就是在工作之前装配好机器人，而动态可重组就是系统在工作时能动态根据需要进行重组自身。在本文以下部分提到的手动可重组移动机器人属于前者，而自动可重组移动机器人则属于后者。静态可重组机器人系统大都适用于工业机器人，如Queenslan大学的GordonWyeth,JamesKennedy等人设计一个由有规则几何形状独立模块组成的工业机械手PUMA560，可以任意改变机械手的形状以适应不用的装备任务。动态可重组机器人系统有：Pamecha和Chirikjia的构形变化机器人系统（MetamorphicRoboticSystem），它是由一套独立的机电模块组成的，每个模块都有连接、脱开及越过相邻的功能，每个模块没有动力，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动重组的能力；英国Darthmouth学院的KeithKotay和DanielaRus在1998年提出了分子（Molecule）的概念，自重构机器人的模块称为分子，分子是建立自重组机器人的基础，分子和其他分子相连且分子能够在其它分子上运动形成任意的三维结构。对于模块化机器人的研究，现在还大都没有进入实用化，特别对于模块化动态自动可重组机器人来说，收到诸多条件限制，现在还停留在理论和运用计算机进行仿真阶段。1994年，Xerox公司帕洛阿尔托研究中心（PARC:PaloAltoResearchCenter）Yim等人对模块化可自动重组移动机器人概念进行研究，从1997年到现在它们研究了PloyBotG1、G2,现在在进行G3的研究。其中G2具有典型意义，系统采用主从结构，由一个主控模块和若干（十几~二十多个）标准功能模块组成简单的链状外形结构，实现了链式到四足的自动重组。虽然它的系统远比Pamecha、KeithKotay等人提出的模块化机器人系统简单，但其意义在于推动了模块化自动可重组移动机器人的实用研究，为模块化机器人研究开拓了新的领域。1.2.4模块化机器人研究的意义、发展方向和应用前景模块化机器人的模块化机构是它的一大特点，它可以由几个到几百甚至成千上万个模块组成，模块可以被设计成多种多样，可以是圆形、方形、多面形及其它形状，模块间的连接方式也可以是多种多样的，可以通过连杆连接、面面对接等等。虽然每个模块的结构和功能都有限，但众多的模块连接在一起，就可以组成各种各样简单或复杂的形态，所构成机器人的运动方式也可以是各种各样的。因此，对模块化机器人的研究将会推动机器人机构设计、运动规划、动力学分析、运动控制等方面的发展。模块化机器人要实现自动重构，最基本的就是要实现模块的自动对接，这包含有模块件电气接口（包括自动闭锁装置）设计、多传感器信息融合、对接路径规划等方面的技术，通过研究也将大大推动这些方面的发展。再则，由于机构上和传统机器人的不一样，这也将大大推动机器人控制系统的更变发展。另外，模块化机器人的运动大都是效仿生物的运动，这也将推动仿生机器人研究的进行。由于模块化机器人具有形变和变化运动方式以及能自我修复等优越的特点，能很好地适应复杂和未知的地形环境，使得它具有非常广泛的应用前景。在科学探索方面，它可以被应用于人类无法到达或者危险环境中的探索，如星球探索、深海作业、管道作业等；在日常生活方面，该技术可以被用于玩具、家用机器人制造等。虽然模块化机器人的应用前景非常美好，但在现阶段，它的研究尚处于开拓和探索阶段，很多方面都还处于理论探讨阶段。目前还需要在以下几个方面进行进一步的研究：①单个模块的结构和功能分析以及设计实现；②机器人整体机构表达描述方法的研究；③机器人重构过程、运动学和动力学的研究；④模块化机器人的控制系统和搞笑的可重构实时控制软件的研究。1.3本文内容本文的相关研究是基于“863计划”课题“模块化可重组机器人的研究”而展开的。它的基本任务是设计一个适用于模块化机器人的控制系统。课题“模块化可重组机器人的研究”的目标是完成多模块构成的、具有三维空间可重组能力的模块化机器人的设计，以及实现蛇形、履带形和四足形等经典构形之间的相互变化。根据实验室的具体实情，研究工作从横向上分为机器人模块设计、机器人控制系统设计、机器人运动步态规划以及模块自动对接设计实现等四个部分。由于目前模块化机器人研究在国内外都还刚开始，尚处于理论探索和初步研制设计阶段，又出于理论和实践探索、节约研制成本和降低研究风险等目的，我们从纵向上将模块化可重组机器人的研究分成手动可重组机器人和自动可重组机器人两个阶段进行。与自动可重组机器人相比，手动可重组机器人少了自动重组功能，则它在模块机构设计、加工精度、控制系统的复杂程度和性能等方面的要求相比都要低的多，因此在设计时可以采用比较低廉、运用简单器件，不仅使设计成本大大降低，而且开发的周期也将缩短很多，开发的成功率也会提高。除此之外，手动可重组机器人系统在模块结构、电源方案、控制系统、通信系统设计和步态规划等方面和前者相比都是大同小异，所以第一阶段手动可重组机器人的研制除了为自动可重组机器人的研究及设计开拓思路和提供必要的可行性论证以外，还可以在模块结构、电源方案、控制系统、通信系统设计和步态规划等方面为下阶段的研究积累经验。另外，第一阶段的研究也是一个完整的过程，其成果——模块化手动可重组机器人也可以作为独立完整的成果来看待。1.3.2本文的研究任务本文中对控制系统的设计也是伴随着模块化机器人研究设计的过程而展开的，所以从纵向上也分为两个阶段，即手动可重组机器人控制系统的设计和自动可重组机器人控制系统的设计。模块化机器人作为一种新型的机器人，它在结构模块化特点鲜明，具有许多传统移动机器人所不具备的优点。控制系统是一个机器人系统的核心部分，它性能的优劣、结构合理与否直接决定着机器人能否发挥应有的性能。因此，模块化机器人也要拥有一个与之结构匹配、能最大限度发挥它性能特点的控制系统。本文所研究的主要任务是根据模块化机器人对控制系统的要求，建立符合模块化机器人机构、性能特点的控制系统模型，然后结合手动可重组机器人和自动可重组机器人各自的特点，完成各自控制系统的设计。1.3.3本文的结构本论文将分成五章：●第一章介绍模块化可重组机器人的特点以及发展状况，以及本文研究工作的基本状况。●第二章在介绍机器人控制系统发展状况的基础上，集合传统主从和分布式控制系统的特点，提出适用于模块化机器人的控制系统——模块化分布式控制系统的概念，并对该系统的设计进行详细分析。●第三章详细介绍模块化手动可重组机器人控制系统的硬件和软件的设计，以及机器人系统的实现状况。●第四章详细介绍模块化自动可重组机器人控制系统的硬件设计。●第五章对整个