可重构模块化机器人通用接口研究

摘要

随着机器人应用的发展，在多任务和复杂环境下，为单一任务而设计的具有单一结构的传统机器人难以发挥其作用，可重构模块化机器人应运而生，它是当前机器人发展的一个前沿分支。可重构模块化机器人是由各种独立的具有相同或不同结构和性能特征的可互换的关节模块和连接模块组成，能够根据作业的需要装配成不同的机器人构型。可重构模块化机器人在工业生产、航空航天、军事以及救援探险等领域有着广阔的应用前景。 可重构模块机器人设计的难点在于：使得功能各异、结构不同和任务多样的模块机器人能够整合为一个整体，能够快速拆装、互换装配、柔性组合、互相通讯、协调控制，达到即插即用的效果。本文就可重构模块化机器人以及通用接口技术作了初步的研究。 机器人模块的设计是研究的重点，很大程度决定了机器人系统的性能，而可重构模块化机器人通用接口的研究和设计是基础。现有的均一阵列式机器人模块的连接机构大都采用了销孔式连接方式。这种连接方式在分离操作时需要额外的分离空间，模块不能够在间隙比较小甚至没有间隙的情况下分开，限制了模块运动的灵活性。而采用电磁铁加上形状记忆合金(SMA)的连接方式增加了机械和电气结构的复杂性。我们设计的带有机械连接钩子的连接机构兼有上述两种连接方式的优点，又能克服它们的缺点，能够快速、灵活、稳固的连接两个模块，同时节省了能量和空间。 为此，本文提出了一种新型的阵列式机器人模块结构，模块单元具有的单转动自由度，该模块兼具阵列式和串联式机器人系统的优点，通用性高，结构简单，控制容易。设计了一种平面连接机构和电气连接部件；建立了集中式控制系统结构，结合分布式通讯方式实现了机器人构形信息的自动采集。分别介绍了模块单元的机械结构设计、驱动机构、连接机构以及基于CAN总线的控制系统结构。 分析了机器人控制系统功能和要求，在此基础上提出控制系统总体构建；根据可重构模块化机器人设计的特点和要求，提出模块子系统构建的方案，并给出详细的软件流程图。 最后，构建了基于OpenGL技术和VC++开发平台的机器人仿真实验系统，仿真机器人构形和运动，验证了模块设计的正确性和整体运动构形规划方法的有效性。

目录

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2可重构模块化机器人系统的分类

1.3国内外的研究现状

1.3.1阵列式可重构模块化机器人系统

1.3.2串联式可重构模块化机器人系统

1.3.3可重构模块化机器人系统的特点比较

1.4可重构模块化机器人的发展趋势

1.5该领域研究的关键问题

1.5.1硬件系统的设计与实现

1.5.2标准模块化接口技术

1.5.3机器人的自重构规划策略研究

1.6本文的研究内容

第二章可重构模块化机器人硬件平台设计

2.1引言

2.2模块化设计理论

2.2.1模块单元的设计准则

2.2.2模块单元的划分

2.2.3模块化机器人操作臂评价标准

2.3硬件平台的设计

2.3.1模块单元的设计

2.3.2驱动机构

2.3.3机械连接机构

2.3.4电气连接机构

2.3.5控制系统

2.4 小结

第三章可重构模块化机器人控制系统设计

3.1控制系统分析

3.1.1机器人功能分析

3.1.2机器人系统对控制系统的要求

3.1.3机器人控制方式分类

3.2构建控制系统的总体框架

3.3控制系统软件设计

3.3.1通讯数据包格式定义

3.3.2上位机软件设计

3.3.3模块主控单元软件设计

3.3.4模块子控制单元软件设计

3.4 小结

第四章可重构模块化机器人实验研究

4.1模块机器人构形组合设计

4.2建模与运动规划

4.2.1机器人构形的确定

4.2.2构形的自动识别

4.2.3构形的自动重建

4.3仿真实验

4.4 小结

总结及展望

参考文献

致谢

附录 论文发表情况