（机械设计及理论专业论文）模块化工业机器人设计的若干问题研究.pdf

摘要 随着现代工业的快速发展，工业机器人的应用越来越广泛。传统工业机器人 的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，传 统工业机器人的固定构型显现出了很大的局限性，模块化工业机器人成为解决这 一问题的新型工业机器人。模块化工业机器人是由一些结构和功能相似的机械模 块组合装配而成，根据不同工作任务和生产环境，来选择不同模块组合方式构建 相应的工业机器人。本文设计了一套机械模块，来构建不同类型的模块化工业机 器人，通过这些机械模块既可以构建s c a r a 型工业机器人，也可以构建垂直关节 型工业机器人，并对所提出模块化工业机器人的运动学问题进行了一些初步的研 究，提出了一个解决该模块化工业机器人的运动学问题的有效计算方法。 模块设计是模块化工业机器人的最基本工作之一，结合已有的模块化设计思 想，将工业机器人分成若干个相互独立的关节模块，设计一套功能结构相互独立 的模块来构建模块化工业机器人，利用不同数量、不同种类的模块来构建构型相 异的模块化工业机器人，既可以是水平作业的s c a r a 型工业机器人，也可以是垂 直作业的关节型工业机器人。构成模块化工业机器人的各个模块之间相互独立， 确保每一个主动模块都是独立的可实现单独控制的机械单元，为了实现模块间快 速有效地安装组合，模块之间设计有快速连接分离的连接器，使模块化工业机器 人可以快速有效地实现重构。 利用工具软件p r o e 来对每个模块的进行三维模型的建立，同时在p r o - e 工 作环境中构建各个类型的模块化工业机器人，分析各个工业机器人的运动干涉、 动力学性能等，确定各个模块的最终结构功能参数以及相应的系列化参数。并分 析相应的模块化工业机器人的系统结构功能参数；结合机械设计相关知识，利用 p r o e 软件的测量分析功能模块，对关键零部件的机械性能进行校核，提出相应 的模块优化方案。 模块化工业机器人的运动学问题主要包括正运动学和逆运动学两个方面。正 向运动学问题采用建立模块的齐次变换坐标矩阵模块库的方法来解决，利用d h 参数变换法来求解出每一个模块的坐标变换矩阵，然后根据重构后工业机器人的 模块序列( 从基座到末端执行器) ，来逐个调用相应模块的齐次变换矩阵，然后 通过齐次变换矩阵之间相乘运算来求解相应的正运动学方程。对于模块化工业机 器人的逆向运动学问题，将模块化工业机器人的正向运动学方程与末端位姿矩阵 建立等式，采用联立多项式的方法来求解模块化工业机器人的逆向运动学方程。 最后，利用工具软件l a b v i e w 软件对本文所提出的理论模型进行计算机模 拟仿真，以验证模块化工业机器人的运动学的模型的正确性，并分析了其对末端 执行器的运动轨迹产生的误差影响，从而优化模块化工业机器入的运动学模型。 关键词：模块化；工业机器人；模块设计；运动学方程；模拟仿真 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mi n d u s t r y , t h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a l r o b o ti sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e w h e nt h ew o r k i n gp l a c eo rt h eg i v e nt a s ki s c h a n g e d ，t h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lr o b o ti so b v i o u s l yi n c r e a s e d t o s o l v et h i sp r o b l e m ，an e wt y p ei n d u s t r i a lr o b o t ，c a l l e dm o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o ti s i n v e n t e d t h em o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o ti sc o m p o s e do fs o m em e c h a n i c a lm o d u l e s ， w h i c ha r es i m i l a ri ns t r u c t u r ea n df u n c t i o n a c c o r d i n gt h eg i v e nt a s k ，c h o o s i n g d i f f e r e n tm o d u l ea r r a n g et ob u i l dr e l e v a n tm o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o t i nt h i sp a p e ri d e s i g nas u i to fm e c h a n i c a lm o d u l et ob u i l dm o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o t ，a n dr e s e a r c ht h e b a s i ck i n e m a t i c se q u a t i o np r o b l e mo ft h i sm o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o ts y s t e m t h em o d u l ed e s i g ni st h eb a s i cw o r ko ft h em o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o tr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gm o d u l a rd e s i g nt h e o r y , t h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lr o b o ti s d i v i d e di n t os e v e r a li n d e p e n d e n ti o i n tm o d u l e s w i t hd i f f e r e n tn u m b e r so rd i f f e r e n t k i n d so ft h em o d u l a r , al o to fm o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o t sc a nb eb u i l t ，i n c l u d i n gb o t h t h es c a r ar o b o ta n dt h ej o i n tr o b o t t h em o d u l e sa r ei n d e p e n d e n t l yw i t he a c ho t h e r s m a k es u r et h ea c t i v em o d u l ei sam e c h a n i c a lc e l lw h i c hc a nb ec o n t r o l l e ds e p a r a t e l y t h em o d u l ec a l lb ec o n n e c t e dw i t ho t h e r sb yu s i n go ft h ec o n n e c t i n ge q u i p m e n t ，s o t h em o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o tc a nb er e c o n s t r u c t e dr a p i d l ya n de f f e c t i v e l y t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fe a c hm o d u l ei sb u i l tb yu s i n gt h ep r o e n g i n e e r s o f t w a r e ，t h em o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o tt y p ei sa l s ob u i l t u n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h e p r o es o f t w a r e ，t h em o v e m e n ti n t e r f e r e n c ea n dt h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h e i n d u s t r i a lr o b o tc a nb ea n a l y z e d b yt h i sw a yt h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro fe a c hm o d u l e i sf i n a l l yd e c i d e d t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ek e ya c c e s s o r i e ss h o u l db e e x a m i n e db yu s i n go ft h ek n o w l e d g eo fm e c h a n i c a ld e s i g nn o t e b o o ka n dt h em e a s u r e a n a l y s i sf u n c t i o no ft h ep r o es o t h a r e i nf i n a lt h eo p t i m i z e dm o d e lc a nb e d e t e r m i n e d t h ek i n e m a t i c sp r o b l e mo ft h em o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o ti n c l u d e st w op a r t s ，t h e f o r w a r dk i n e m a t i c sp r o b l e ma n dt h ei n v e r s ek i n e m a t i c sp r o b l e m t h eh o m o g e n e o u s c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xo fe a c hm o d u l ei sb u i l tb yu s i n go ft h ed h p a r a m e t e rm e t h o d w h e nan e wm o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o ti sb u i l t ，t h et r a n s f o r m a t i o n m a t r i xo ft h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l ei st r a n s f e r r e da c c o r d i n gt ot h em o d u l e s s e q u e n c e t h e nt h ef o r w a r dk i n e m a t i c s e q u a t i o np r o b l e mc a nb es o l v e db yt h e m a t r i x m u l t i p l i c a t i o n t h ei n v e r s ek i n e m a t i c sp r o b l e mc a nb es o l v e db yc a l c u l a t i n gt h e p o l y n o m i a le q u a t i o n s t h ep o l y n o m i a le q u a t i o n i sb u i l tb ye q u a l i n gt h ef o r w a r d k i n e m a t i c se q u a t i o nt ot h ee n dp o s i t i o nm a t r i x e s n a tt h ee n d t h et h e o r e t i c a lm o d e ll ss i m u l a t e db yt h el a b v i e ws o f t w a r eo nt h e c o m p u t e r n ec o r r e c t n e s so ft h ek i n e m a t i c se q u a t i o nm o d e lo ft h em o d u l a ri n d u s t r i a l r o b o ti sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o np r o g r a m 砀em o v e m e n tp a t he r r o ro ft h e e n d - e f f e c t e ri sa n a l y z e db yt h ep a t hd i s p l a yi n t e r f a c e a sar e s u l t ，t h em o d e lo ft h e m o d u l a ri n d u s t r i a lr o b o tw ep r o p o s e di so p t i m i z e d k e yw o r d ：m o d u l a r ；i n d u s t r i a lr o b o t ；m o d u l a rd e s i g n ；k i n e m a t i c se q u a t i o n ； s i m u l a t i o n i i i 学号：2 0 6 0 816 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 闩聱咙签字日期：枷彩年7 月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) - l ) 学位论文作者签名：问宰筅导师签名：弛彘 签字日期：榔年 月午日 飙一 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 工业机器人是目前机器人领域中技术上最成熟、应用最多的一类机器人， i s 0 8 3 7 3 对工业机器人给出了详细的具体的定义【l 】：“工业机器人具备有自动控制 及可再编程、多用途功能，具有3 个或以上的可编程轴，在工业自动化应用中， 机器人的底座可固定也可以动。 上世纪6 0 年代机器人研究开始广泛进行，随着 机器人在工业生产中的应用越来越广泛，逐渐产生了“工业机器人”这一名称， 工业机器人( i n d u s t r i a lr o b o t ) 是一种可以模拟人的手、臂的部分动作，按照 给定的程序、轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件、操作工具的装置。随着计 算机科学技术、机械设计制造技术以及信息科学技术的不断发展，工业机器人领 域也飞速发展，为人类社会带来了巨大的经济效益【2 1 。 从机器人发明之时到现在，机器人的发展大致经历了从低级到高级的三个阶 段【3 j ：早期的起步阶段、技术突破的推广阶段和广泛普及阶段。1 9 6 0 年，美国的 u n i m a t i o n 公司，根据d e v o l 的技术专利研制出了第一台工业机器人样机，并定 型生产了u n i m a t e 工业机器人，并采用了示教再现的控制方式；同时美国“机床 与铸造公司 设计制造了另一种圆柱坐标形式的可编程机器人v e r s a t r a n ( 意为 “多才多艺多用途搬运机器人”) ，这是世界上最早的、最著名的、至今仍在应 用中的两种工业机器人。这两种型号的机器人以“示教再现 的方式在汽车生产 线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，推动了汽车行业的发展，而 且它们在工作中表现出很好的经济效益、可靠性、灵活性，也使机器人技术获得 巨大发展。 上世纪七八十年代，伺服技术和计算机技术的带动了机器人技术的发展 4 1 ， 关节型机器人逐渐兴起，关节型机器人的机械本体部分一般为由各种关节串接起 若干连杆组成的开链式结构，它操作功能很强，通常可以完成多种作业，其较大 的工作空间以及操作的灵活性，使其成为工业机器人普遍采取的一种设计方案。 目前，各种各样的关节型机器人已经广泛应用到工业生产的各个领域，常见的有： 弧焊机器人、点焊机器人、喷漆机器人、装配机器人和搬运机器人；以及几种不 常见的关节机器人：水切割机器人、激光加工机器人、检查测量机器人以及真空 机器人等。这些机器人丰富和发展了机器人技术，同事也拓展了机器人的应用领 域，使机器人领域由最初的工业生产领域，扩展到农业、医疗、社会服务、军事 等许多领域。 传统的工业机器人是基于给定工作任务设计的，其构型一旦涉及就固定不可 浙江人学硕十学位论文 改变。根据不同的给定任务，可以选择不同构型的工业机器人来完成，如：s c a r a 型工业机器人，主要用于高精密的水平面作业；对于喷漆或焊接等工作任务，通 常采用垂直关节型工业机器人。在给定任务复杂多变或工作环境未知的情况下， 传统工业机器人由于自身机械构型的限制，难以满足工作的需要。模块化工业机 器人的诞生解决了这一问题，改变了传统工业机器人的局限性，可以适应复杂多 变的工作环境和给定任务，扩大了工业机器人的应用领域，并逐步成为了机器人 研究的热点。 1 2 模块化工业机器人 1 2 1 模块化机器人的概念及分类 模块化机器人是由一系列模块拼装而成，通过模块的自由柔性重构组合，构 建成结构和功能不同的机器人构型，以满足不同环境和任务的需求。当前国内外 对模块化工业机器人的研究越来越多，并逐步地由最初的简单的模块化工业机器 人发展成模块化可重构机器人和模块化自重构机器人两大类。 模块化可重构机器人是由一些功能结构相似的机械模块组成，每一个模块都 是一个控制、传动和驱动的集合体，模块之间可以互相连接和脱离，通过这些模 块的柔性组合安装，构建构型不同的模块化可重构机器人。重构机器人的重构过 程有手动重构和自动重构两种，手动重构的机器人一般都是用在工作环境已知的 情况下，而自动重构的机器人主要用在对未来工作环境难以预测的情况下。根据 重构过程，可重构机器人可为：动态可重构机器人和静态可重构机器人。可重构 机器人的具体特点及应用场合见表卜l 。 表1 1 ：可重构机器人类型概述 名称分类( 根据重构过程)结构功能特点应用领域 手动重构系统 借助人为或外力作用实 工作环境和给定任务已 知的情况，主要用于实际 模块化可重构 现机械构型重构， 上业生产中 机器人系统自主地根据环境和工作环境难以预测的情 自动重构系统工作任务的变化重构自况，主要用于人类难以涉 身构型足的领域，如：外太空 模块化自重构机器人又称为动态可重构机器人或自变形机器人，是由一些相 互之间独立的模块单元组成，每个模块都具有计算和通信能力，模块可以在相邻 的模块上自主移动，从而改变自重构机器人的整体构型；系统可以根据工作环境 和给定任务，自主调整模块之间的相对位置来实现机器人构型的重构，自重构机 器人的最大特点就是自适应性，即自重构机器人无需外界的干涉就可以根据环境 2 浙江大学硕十学位论文 的变化和任务需要自主地改变自身的构型，自主完成工作任务，因此自重构机器 人比可重构机器人具有更强的适应性。 根据模块化机器人模块单元的结构和功能特点，可以把模块化机器人分为同 构系统和异构系统，同构系统的各个模块的结构和功能都相同，整个系统只有一 个类型的模块；异构系统的各个模块结构和功能不同，整个系统被成为n m o d u l a r 系统( n 为模块的种类) 。根据机器人的重构方法的分类：移动重构系统和膨胀 重构系统。根据模块的空间拓扑结构，将模块化机器人分为网格型重构系统和链 式线性重构系统，网格型重构系统的模块的空间拓扑结构为网格式，通过改变模 块在网格上的空间位置上来实现整机系统的重构；链式重构系统，模块的空间拓 扑结构成链式线性分布，通过分离和连接位于链上的模块来重构系统。模块化机 器人的分类依据及具体类型特点表1 - 2 。 表1 - 2 ：自重构机器人类型概述 名称 分类依据 系统名称 结构特点 系统由不同种类的模块构成，各 根据模块结构 相异模块系统 模块分管不同的功能 种类的异同 系统由一种模块构成，模块的功 相同模块系统 能特点也彼此相同 系统模块成网格式分布，通过改 根据模块的空 网格型重构系统变模块在网格上的位置来实现 模块化机器人 重构 间拓扑结构 直线型重构系统 系统模块成线性分布，通过改变 模块的线性排列米实现重构 移动型重构系统 通过模块在相邻模块上的移动 根据模块的重来完成整个系统重构 构过程通过模块自身的膨胀、压缩、弯 膨胀型重构系统 曲变形来完成整个系统的重构 1 2 2 国内外研究状况 对于模块化工业机器人的研究，国外要远远领先于国内。早在2 0 世纪8 0 年 代国外的一些研究机构就开始对模块化机器人进行研究。世界上第一台模块化工 业机器人诞生于二十世纪八十年代末，是由美国卡内基梅隆大学研究所制造出来 的，它被称为r m m s 系统1 5 j ( a r e c o n f i g u r a b l em o d u l a rm a n i p u l a t o rs y s t e m ) ，它改 变了此前的工业机器人由于自身结构限制所导致的功能上的局限性，在应用环境 和任务方面都有了扩展。它是由一些尺寸和功能不同的关节模块和连杆模块组成 的，模块上设计整体快速耦合的连接器，使r m m s 系统可以实现重构，之所以称 3 浙江大学硕士学位论文 r m m s 系统为世界上第一台模块化机器人，是因为r m m s 不仅在机械结构方面 实现了重构，而且它基于任务的设计软件也可以实现重构；该软件可以生成最佳 的模块化重构机械手构型，这都是先前的工业机器人所没有的。在r m m s 的基 础上，p a r e d i s 等人【6 】做了大量的研究工作，于1 9 9 7 年研制出了一个新型的基于 r m m s 的快速重构的模块化工业机器人，采取建立模块库的方法来对模块进行划 分，设计了五种类型模块：基础模块、旋转模块、连杆模块以及木端执行器模块； 同时还涉及了一个模块化的可重复使用的控制软件，并提出了一个基于a g e n t 的用于设计基于任务的模块化机械手的新颖的方法。 1 9 8 8 年，日本科学家f u k u d a 等人【7 】从生物是由一个个功能结构简单的小细 胞组成出发，提出了用以构建模块化机器人的“智能细胞学说 ，提出了一些具 有基本机械功能的智能细胞模块，通过这些细胞来组成一个模块化的动态可重构 机器人系统( d r r s 系统) ，这些智能细胞可以根据任务自主地与周围细胞组合分 离，实现不同d r r s 机器人系统的重构，使d r r s 系统可以自主构建相应的机器 人外型来与工作环境和给定任务相适应。随后f u k u d a 等人【8 】在“智能细胞学说” 的基础上制造出了一个新型重构机器人系统基于细胞结构单元的自组织机 器人( c e b o t ) ，它由一些基本的细胞单元组成，这些细胞单元可以自动地相互 通信、接近、连接和分离，以便重构成不同的机器人系统；当c e b o t 系统的一 个细胞单元损坏时，其他细胞可以替换或者修理它，维持c e b o t 系统的功能， 这就使c e b o t 具有很强的自我容错能力和自我修理的能力。c e i o t 细胞间的 通信功能也有很大的改进，c e b o t 属于异构系统，主要模块包括带轮子的移动 模块、构成手臂的弯曲模块以及手爪模块【9 j ，同时还有通信主管细胞模块，该细 胞必须知道其他细胞的功能和位置，并使移动的细胞在移动上保持一致。当这些 细胞组成一个整体结构时，通信主管细胞要知道结构是由哪些细胞构成的，并控 制弯曲关节细胞。f u k u d a 等人通过实验证明了c e b o t 重构机器人在重构能力、 通信功能、协同操作以及控制能力，使c e b o t 可以实现自重构。 1 9 9 4 年c h i r i k j i a n 1 0 】提出了一种变结构机器人系统，它也可以无须外界干涉 来实现结构变形，每个模块都具有连接、脱离和越过相邻模块的能力，而且模块 的结构功能完全一致，属于同构系统。1 9 9 9 年d a n i e l a r u s t l l 】等人提出了一个由 压缩模块单元组成的模块化自重构机器人系统，该系统是由晶体状模块聚集成的 分布式机器人系统，模块是立方体晶体的形状，每个面的中部都有一个连接器， 由三个二进制执行机构来操作，可以通过膨胀、压缩来移动改变彼此的相对位置 来实现结构的变形。c a s t a n o 等人【1 2 】提出了c o n r o 模块化重构机器人系统，它解 决了模块和机器人控制之间的协同交流，使模块能够得到相邻模块的信息。与此 同时，日本的f u j i t a 等人【1 3 j 提出了一个基于o p e n r 的重构机器人平台，以用于 重构娱乐玩具方面的设计。 4 浙江大学硕士学位论文 进入二十一世纪，模块化自重构机器人的研究成为了热点，模块化自重构机 器人向人们展示了三个方面的愿望：通用性、稳固性、成本低。为了实现这些愿 望，m a r ky i m 等人【1 4 , 1 5 , 1 6 】提出一个由可替换的模块构成的自重构机器人实体 p l o y b o t 系统，并通过实验证明了其在大量不同地形上的移动，并通过实践证明 了构成模块化机器人系统的模块的数量很多时，系统的物理执行能力很少能有 l o 个模块时的效率高。p l o y b o t 与先前的模块化机器人的区别是：p o l y b o t 由一 些主动模块构成，而且每个模块都有控制器、传感器、马达和执行机构。同时提 出了一个用于教育的程序系统，由机器编程脚本语言和编程环境构成，它支持具 有很少电脑知识的初学者来为机器人编程，以来用于教学。p l o y b o t 通过重构来 实现了机器人的通用性，通过冗余和自修理来实现了稳固性，通过模块的成批生 产实现了低成本。 之后，m u r a t a 等人【1 7 , 1 8 , 1 9 提出了一个同构自治的模块组成的自重构机器人一 m t r a n ，该系统是一个三维自重构系统，它改变了先前三维网格结构和三维 线性结构的一些缺点，在自重构和团体移动方面都有很大的改观。m t r a n 的 模块都装有微处理器，一个用户界面用来设计构型和给定任务的运动顺序，为 m t r a n 的运动做规划。一旦特定的结构生成之后，旋转关节就可以来驱动机 器人做为一个整体来运动。y a n g 等人【2 0 】采用积木原理来进行模块设计，设计了 正方体的模块结构，主要有三种类型的模块：旋转模块、移动模块和连杆模块， 旋转模块和移动模块做为主动模块，其内部设计有驱动器。 此外，在模块化工业机器人的控制方面，p e c k 等人【2 1 】提出了一个h t h r e a d s 的模块化计算结构，目的是在程序员和复杂的重构装置之间架起一座桥梁，它具 有三个抽象分层，第一层是操作系统层，为不同系列的计算提供了支持；中间层 为运行在重构装置上的描述性计算提供一个策略；最后一层是高水平的编程语言 支持层，可以使语言很容易的被程序员熟悉。j i n o hk i m 等人【2 2 】提出的多种群遗 传算法用来解决模块化工业机器人的控制问题，有效地解决了模块化工业机器人 的高度非线性问题；g e r t z 等人【2 3 】设计了一个动态的软件，该软件为一个通过传 感器来对系统进行跟踪模拟的人机界面，对模块化工业机器人的控制取得了很好 的应用；c h o c r o n 等人【2 4 】把遗传算法分为高水平和低水平，高水平的遗传算法用 于拓扑结构演变，低水平的遗传算法用于寻找逆运动学问题的解法，为模块化工 业机器人的控制提供了一个很有效的方法。 近些年，国内一些研究机构也开始对模块化工业机器人展开了研究，哈尔滨 工业大学机器人研究所的张玉华等人【2 让6 】提出了一种模块化可重构机器人系统， 该系统的机械模块为单自由度的立方体结构，采用销孔式的联接方式，可以使模 块快速有效地组成各种阵列网格式的整体构型，使模块化机器人整体结构兼具阵 列式和串联式特点；并采用相对方位矩阵来描述模块之间的相对关系和周围环 5 浙江人学硕士学位论文 境，建立模块化机器人模块的运动规则库，提出了基于模块规则库的启发式搜索 和有限范围搜索相结合的重构运动规划算法，在启发式搜索过程中，采用二次选 择搜索方法来减小搜索空间，并对该算法进行了仿真，仿真结果表明该算法可以 对任意初始构型的模块化自重构机器人在复杂环境中进行规划。 清华大学的赵广涛等人1 2 琨8 】在可重构机器人的模块自同构方面展开了研究， 并提出了一种新的可重构机器人的单元组合模块理论，将模块化机器人的模块设 计成摆动模块和旋转模块两类，做为机器人中常见的摆动关节和旋转关节，分别 具有独立的结构和运动功能，同时通过辅助模块来实现整体组合结构的重构，降 低了模块化机器人的设计和分析难度，并提出了分支重构规划算法，对树状拓扑 结构的模块化机器人的重构规划问题是很有效的。 沈阳自动化研究所的刘金国等人【2 9 , 3 0 】提出了一种模块化链式移动机器人结 构，单个模块采用履带、轮、臂、腿组合的移动机构，使模块具有三维空间的运 动能力，模块间辅助以偏转关节、连接柄、连接臂和摆动关节进行连接组合，整 机既具有手动可重构的特点，也具有自动变形的特点，提高了移动机器人的移动 能力和环境适应能力；根据模块的物理结构和邻接关系，提出了基于组合计数原 理的递归算法，用于多模块变形机器人的非同构构形计数。此外东北大学的李树 军【j l j 也提出了一种模块化可重构工业机器人，设计了三大类模块关节模块、 连杆模块和辅助模块，并采用基于指数坐标的运动学求解方法。 近几年在模块化自重构机器人方面，国内的一些研究机构也展开了深入的研 究，上海交通大学的费燕琼等人【3 2 】借鉴人工智能领悟罩的多a g e n t 系统理论，提 出了一种自重构机器人的模块结构，该结构是一种网格型的雌雄同体的结构，每 个模块具有一个中心体和六个可独立旋转的面组成，模块之间的连接采用孔与轴 之间的连接，使整机的结构更紧凑。徐威等人【3 3 】提出了一种针对该自重构机器人 的重构策略，该策略建立在全离散的局部智能基础上，通过建立适当的模块运动 规则和规则进化使机器人由局部自主运动产生全局系统自组织的结果。 可以看出，模块化工业机器人还主要处在研究和起步阶段，模块化机器人的 应用也主要是针对一些高端领域，主要集中于一些大学及研究所的科研领域的研 究，几乎没有工业生产方面的应用。模块化机器人所具备的灵活性、对环境的强 大适应性以及工作范围的可扩展性，必然会成为未来工业机器人领域的一个主要 趋势，尤其是随着人类对外太空等一些人类无法到达领域的涉足，就更需要比传 统机器人更优越的机器人来取代人类进行探索。 1 3 研究意义 随着工业机器人的应用领域不断扩大，工业机器人的工作环境和工作环境变 6 浙江大学硕士学位论文 化也越来越广，传统工业机器人已经跟不上市场和工业生产的发展步伐。传统工 业机器人是基于单一任务设计的，一旦设计定型后，其自身机械结构的限制，使 它的工作应用领域有很大的局限性，严重制约了工业机器人的应用；传统工业机 器人在设计之初，其工作环境和给定任务已知，对人类未知的不可预测的环境， 传统工业机器人难以适应，无法满足未知工作环境的需要；在市场竞争的日益激 烈的情况，传统工业机器人的设计周期长、成本高以及维护困难等缺点都使其难 以适应市场竞争的需要。 模块化工业机器人是由一系列结构和功能相似的独立的机械模块组合而成， 系统根据不同的给定任务和工作环境来实现不同模块间的重组连接，产生成具有 不同运动学和动力学参数的工业机器人结构，模块化工业机器人所具备的一些特 点，可以很好地解决传统工业机器人的局限性，扩大工业机器人的应用领域，模 块化工业机器人的主要特点有： ( 1 ) 适应能力强。模块化工业机器人是由不同的结构模块重构而成的，整 机系统可以根据不同的工作环境、给定的工作任务来重构不同的结构构形，因此 模块化工业机器人能适应不同的任务和不同的工作任务。 ( 2 ) 系统容错能力提高。由于系统采用了模块化设计，模块可以大规模批 量生产，当系统的一个模块失效时，可迅速更换的功能模块，提高了系统安全稳 定的工作时间。 ( 3 ) 设计周期缩短。由于模块化工业机器人的设计被分为了几个模块的设 计问题，比及工业机器人的系统设计问题相对简单，设计时间大大缩短，减少了 工业机器人的设计周期。 ( 4 ) 成本低，维修方便。由于模块化的设计思想，模块可以替换使用，使 整机系统的成本大大降低，同时也方便了整机的维修和保养。 因此模块化工业机器人与传统工业机器人有着很大的优势，更能适应现代工 业生产以及非工业生产的需要。将模块化的思想与工业机器人设计结合起来，分 析常用工业机器人的构型特点，利用模块化设计的思想将工业机器人划分为几类 模块单元，开发一种新型的模块化工业机器人，用到工业生产当中。本文通过设 计一整套模块来构建一种新型模块化工业机器人，既可以构建s c a r a 型工业机器 人，也可以构建垂直关节型工业机器人，该模块化工业机器人可以提高工业机器 人的应用领域，增2 n - f 业机器人系统工作的可靠性，增强工业机器人的自修理能 力和自我容错能力，具有十分重要的研究意义。 1 4 本文研究内容 本文通过设计几类机械模块，用以构建构型和用途不同的模块化工业机器人 7 浙江大学硕士学位论文 ( 垂直关节型工业机器人、s c a r a 型工业机器人等等) ，主要工作有：机械模块 的设计、整机构型的分析、运动学模型的建立以及模型仿真验证分析。具体工作 如下： ( 1 ) 结合已有的模块设计思想，将工业机器人划分为几类模块，结合机械 设计的相关知识，对机械模块的内部结构进行设计，达到构建两大类工业机器人 ( s c a r a 型工业机器人和垂直关节型工业机器人) 的目的，同时分析模块的运动 学和动力学性能参数。 ( 2 ) 将设计好的机械模块进行三维造型，基于自由度数的不同来构建模块 化工业机器人的整机构型，分析相应构型的功能参数指标，结合p r o e 工具软件 来分析系统的各方面性能，并针对主要零件的性能进行校核，提出模块的优化方 案。 ( 3 ) 建立与模块化工业机器人相适应的运动学模型，并对其正运动学和逆 运动学问题进行分析。并通过计算机仿真软件来对所提出的运动学模型进行仿 真，验证所建立的模型的f 确性；同时基于所提出的运动学数学模型，对模块化 工业机器人的运动轨迹进行模拟研究，提出改进方案，为模块化工业机器人的控 制研究打下基础。 8 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章模块化工业机器人的模块设计 工业机器人是由机械本体、控制系统和传感检测系统三部分组成，其中机械 本体主要包括驱动系统和机械传动系统。本文设计的模块化工业机器人是将模块 化思想应用到工业机器人的设计中来在，利用用一些结构和功能不同的基本模块 来构建工业机器人，在设计时主要是基本模块设计和连接模块的设计，本体结构 采用基本的关节型机器人结构，将机器人系统分成三类主要模块来进行设计，在 本体结构的基础上，通过三类模块的自由组合来构建不同构型的工业机器人，以 实现模块化重构的思想。首先，确定工业机器人的基本工作参数，完成个模块化 的机械部分设计，使系统整体能够满足基本的工作需要，确保整个系统的正确性， 可实施性和可靠性。本章结合已有的模块化设计思想，分析常见工业机器人的结 构特点，将其划分为一套用以构建模块化工业机器人的模块，并利用p r o e 工具 软件 3 4 , 3 5 1 对其进行三维造型，分析各个模块的机械结构性能，确定各个模块的功 能结构参数。 2 2 模块的划分 2 2 1 模块化思想概述 模块化思想并非是一个新颖的概念，最早被称为积木拼搭方式【3 6 1 ，所谓积木 拼搭系统，就是把标准化的部件拼装组成一个装置或一个系统，用组件批量生产 来降低成本，用互换性来改善维修保养性能，同时提高系统的柔性。早在2 0 世 纪3 0 年代，德国就在铣床上采用了模块化的思想来进行设计，并在机床行业中 得到了广泛地推广。近些年来随着市场竞争的日益激烈，传统工业机器人在工业 生产中的局限性越来越突现，传统工业机器人由于是为了满足特定的工作需要而 设计出来的，自身的机械结构限制了它工作能力的扩展，一旦它被设计定型之后， 其工作能力也被局限了，在市场竞争日益激烈的今天，传统工业机器人的柔性不 再能满足生产变化的需要。于是，机床行业中的模块化思想被引入到工业机器人 的设计当中来，一种新型的模块化工业机器人随之产生。 模块设计思想利用到工业机器人设计中可以缩短产品的开发、生产周期，降 低生产成本，提高设计的重复使用性，增加系统的可靠性，同时可以根据客户的 需要对系统进行合理的配置，以不满不同的市场需求，模块与系统之间存在以下 9 浙江大学硕士学位论文 几个方面的关系： ( 1 ) 模块具有独立的功能，模块的功能是整个产品功能的组成部分，将每 个模块的功能独立出来，可以保证在修改单一模块的情况下，整体系统的功能不 会发生影响，使产品的抽象功能与模块的具体功能实现分离； ( 2 ) 模块的功能需要在整体系统中得以实现，虽然模块具有独立的功能， 但是失去了整机系统的这个大平台，模块的存在是没有意义的； ( 3 ) 模块具有标准的可速配的输入输出接口，尺寸上的连接分离装置是必 须的，此外信息、能量等输入输出接口也是实现整体系统功能所必需具备的。 模块化工业机器人中的模块是一个个相互独立的机械功能模块单元，模块之 间可以实现快速的连接和分离，每个模块都是一个集通信、控制、驱动、传动为 一体的单元，模块之间允许动力和信息的输入并且可以通过该模块输入到其他相 邻的模块【37 1 。同时，构成模块化机器人的模块需具备以下几个功能特性： ( 1 ) 每个模块都应该可以独立完成某一特定的功能，相互之间彼此独立， 这样就可以减小整机系统模块之间的关联性，使机器人的设计和加工更加快速有 效； ( 2 ) 当模块分为主动模块和被动模块时，每一个主动模块都应该具有单独 的控制和驱动系统，并且可以驱动被动模块完成特定的机械动作； ( 3 ) 各模块之间可以方便地组合装配，不仅要保证机械连接能够快速有效， 同时还要保证相互之间可以实现电气、信息、能量等方面的传输； ( 4 ) 各个模块在动力学和运动学上也应具有独立性，机器人的耦合性非常 强，应尽可能保证模块在运动学和动力学上的独立性。 2 2 2 模块划分原理 模块的划分及创建原理主要有两种【3 8 1 ，一种是基于功能分析的模块创建原理， 一种是基于相似特征聚类的模块创建原理。基于功能分析的模块创建原理，主要 对产品进行功能分解，建立功能层次模型，然后在该模型基础上结合模块划分中 的功能独立、结构完整等原则进行模块的划分。基于相似特征聚类的模块创建原 理，主要是从相似学角度将模块分解为若干相似要素，对应的模块结构也为相似 度，相似度大的结构单元划分成为同一模块。 基于功能分析的模块创建原理是目前比较常用的一种方法，首先对整个系统 的功能进行分析，划分成必要功能和非必要功能两大类。模块设计属于复杂产品 的设计过程，模块之间存在的复杂的耦合关系，要明确模块之间的信息反馈迭代 关系，揭示模块之间耦合关系的本质，协调不同模块设计之间的影响je 3 9 , 4 0 j 。根据 一定的逻辑关系把系统的功能联系起来，将某些功能独立出来，创建为一个单独 的模块单元，尽可能地降低模块之间的关联度，使模块之间彼此独立，互补产生 1 0 浙江大学硕士学位论文 干涉。在划分时应注意以下几个问题： ( 1 ) 模块种类的总数不应太多，过多的模块组合会使整机系统的精度降 低，失去模块化思想的意义； ( 2 ) 划分时应使每个模块都具有一定的独立工作能力，并考虑具体可行 性； ( 3 ) 在保证模块实现的所划分功能的前提下，尽量减小模块的体积和重 量； ( 4 ) 在划分模块时，还要考虑环境因素和经济因素。 2 2 3 模块划分种类 在模块化设计思想和模块划分原理的基础上，分析已有的s c a r a 型工业机器 人和垂直关节型工业机器人的结构( 如a b b 公司生产的关节型工业机器人) ，总 结两大类工业机器人的相似点。s c a r a 型工业机器人主要实现的是水平作业，所 实现的功能主要是水平面上的旋转运动，构型特点是几个关节旋转轴带动水平手 臂实现水平旋转作x _ k 4 1 4 2 垂直关节型工业机器人主要是由一些关节组成，既可 以实现绕轴线的俯仰摆动，又可以实现绕轴线的旋转运动。因此，将相似的关节 结构设计为一个模块，尽可能少的减少所设计的模块种类，设计了三大类机械模 块基座模块、驱动模块和辅助模块，其中，驱动模块包括水平关节模块和垂 直关节模块两大类，辅助模块包括连接模块和连杆模块两大类，模块的示意图如 图2 1 所示。这三大类模块相互独立，各自分管独立的功能，通过不同种类和数 量的模块的组装，可以构建不同自由度的机器人构型，同时达到