可重构模块化机器人课件.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,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,。

Unimate,工业机器人和,Versatra,：最早的、最著名的、至今仍在应用第二阶段：,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,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,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,SCARA,型工业机器人,垂直关节型工业机器人,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,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,最早的,模块化机器人概念及其原理样机是,1988,年美国卡纳基梅隆大学机器人研究所研制,由,两种转动关节,和,不同尺寸的连杆,组成不仅实现了机械结构的可重构性，而且从电子硬件、控制算法、软件等方面实现了可重构构型数量少，自重大,国外可重构模块化机器人研究现状,MRS,模块及其组成的,SCARA,类型机器人,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,国外可重构模块化机器人研究现状,新加坡南洋理工的串联机器人构型,Habibi,等研究的重构液压驱动工业机器人,TOSHIBA,公司的,TOMMS,系统概念图,国外可重构模块化机器人研究现状,AMTEC,公司生产的,PowerCube,模块及应用实例,由,PowerCube,模块构成的,6,自由度构型的三种形式,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,国外可重构模块化机器人研究现状,模块系列,不同尺寸配置,机械臂实体,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,ABB,丹麦,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,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,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,哈工大,6,自由度构型模块化机械臂,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、螺纹连接模块以及辅助模块底座、底板、支持架等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,基础单元模块末端件模块,连杆模块,关节模块,国内可重构模块化机器人研究现状,上海英,集斯,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,较高刚度，模块化与重构思想不彻底,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,模块化可重构,机器人研究内容,构型的研究,目的：找到最优装配构型完成指定任务。

考虑三个问题,:,构形的表达方法、构形的评价标准、构形的优化,组成模块研究,包括模块的形式、种类、机械结构、控制电路、机械与电气的连接接口等方面,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,基于多,Agent,的分布式控制,模块化关节构型,美国敏捷系统工程公司机械臂,关节构型图,2+2+2,3,种关节模块,2,种连杆模块,只能实现摆动和同轴回转,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+3,1,种关节模块,1,种连杆模块,1,种连接模块,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,改变关节组合方式,改变构型,2+2+2,增加摆动关节增加构型,模块化关节构型,改变连接件形状,改变关节构型,标准构型,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,模块化关节构型,逻辑位形图,D-H,参数表,i,1,0,0,0,0,2,0,-90,137.5,-90,3,425,0,-119.7,0,4,393,0,94,90,5,0,90,94,0,6,0,-90,0,0,模块化关节构型,模块化关节结构设计,皇冠齿轮,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,垂直式模块化关节,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,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,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,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,用分层,管理法任务管理,基于,MAS,的协同控制问题,自治性,预动性,人的特征,反应性,社会性,可与其他,Agent,或人通信交流,可感知环境并作出反应,可直接运行，对自己行为有控制能力,可主动发起表现目标引导的行为,信息状态行为；协商状态行为；动机状态行为,Agent,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,Agent,环境,动作输出,传感器输入,基于,MAS,的协同控制问题,主从式层次结构，据工作范围和职能,管理,Agent,功能,Agent,应用,Agent,为协同完成一项任务而形成的一种动态组织结构,各,Agent,之间的关系式是动态变化,行政管理组织结构,(,集中式,),MAS,的组织结构,01,完全自治式组织结构,(,分布式,),02,问题求解组织结构,(,混合式,).,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,03,基于,MAS,的协同控制问题,1,4,1.,新增修改已有,Agent,总体智能增加和改善,2.,某些,Agent,失效,其它,Agent,能替代,行为柔性及鲁棒性,3.,并行工作方式控制模式,与集中相比,灵活性和通用性,2,3,4.,每个,Agent,自主性,利用组合多样性,系统处理动态任务目标和适应动态环境,基于多,Agent,的机械臂控制中，赋予各关节,Agent,具有以下能力,:,AgentAj,仅可以,控制,一个事先指定的,自身关节变量,j(j=1,2,n),已知角杆长,Lj,以及前一时刻的关节角变量,j(j=1,2,n),的数值,可通过传感器获取末端执行器,E,和目标点,T,的位置以及它们之间的距离,可通过评价末端执行器,E,和目标点,T,的相对定位来获取任务的完成情况,AgentAj,可按照自己独立完成目标任务的策略来控制关节角,j(j=1,2,n),的动作,每个,Agent,只,按照自己对任务的贡献去实施自己的行为策略,。

对一个,Agent,而言,它事先并不知道末端执行器的轨迹,因为末端执行器的运动是由多个,Agent,在某一时刻同时动。