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西华大学硕士学位论文 p o w e r c u b e 可重构模块化机器人研究 机械电子工程专业 研究生张志强指导教师罗康 可重构模块化机器人是一种高柔性度的机器人，它是由若干个独立的具有 相同或不同尺寸和性能特征的关节模块和连杆模块组成，这些模块可以通过增 减、互换，重新搭配等方式建立出适应新的作业任务需要的机器人构型。可重 构机器人不但具备机械系统的可重构性，控制系统也能单独工作。现代工业生 产和科学试验，工作任务都不再是单一不变，需要采用不同构形的机器人，而 采用可重构机器人能够大大的降低成本，并提高效率。 本文首先对德国a m t e c 公司生产的p o w e r c u b e 可重构模块进行了初步的研 究j 然后利用本研究室现有的一个p o w e r c u b e 腕关节模块、两个p o w e r c u b e 旋转 模块以及一些辅助模块，设计了两种不同构形的四自由度可重构模块化机器人， 分别用来完成空间内和平面内的工作任务。 建立可重构机器人运动学分析的统一模型是可重构机器人的主要内容之 一。运动学分析的统一模型包括可重构机器人的正运动学模型和逆运动学模型。 本文对其中的空间构形，利用d - h 方法建立了p o w e r c u b e 模块化机器人的广义连 杆坐标系，在此基础上推导出了此机器人4 4 矩阵形式表示的运动学方程。以 机器人的初始位置为例求解了机器人的正解验证了运动学方程的正确性。 从工程应用的角度出发，逆运动学的研究更有价值，它是机器人运动规划 和轨迹控制的基础。本文在求解p o w e r c u b e 模块化机器人的逆解时，利用了分 离变量法将一个未知数由矩阵方程的右边移到左边，使其与其它未知数分开， 解出这个未知数，重复进行，直至解出全部未知数。在求解每个关节变量时， 由于运动学方程中所给出的代数方程的个数远多余求解变量的个数，其中存在 着冗余的方程，因此必须通过观察和分析，找到独立的方程，求解关节变量， 最后通过计算获得了此机器人的全部逆解。 本文最后对p o w e r c u b e 模块化机器人的控制系统和编程语言进行了研究， 西华大学硕士学位论文 对控制系统的c a n 总线与模块和p c 机的通信做了初步的研究。在编程方面， 对p o w e r c u b e 模块的编程开发的重要工具：d l l ( 动态链接库) 做了一定的研 究；并对一段程序做了分析，为以后的编程开发打下了一定的基础。 关键词：p o w e r c u b e 模块；可重构机器人；运动学；构形设计 u 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np o w e r c u b er e c o n f i g u r a b l em o d u l a r r o b o t s m a j o r ：m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p r e s e n t e db y ：z h a n g z h i q i a n gs u p e r v i s e db y ：l u ok a n g r e c o n f i g u r a b l em o d u l a rr o b o t sa r eo fh i g h f l e x i b i l i t y , c o n s i s t i n go fas e r i e s o fm o d u l a rj o i n t sa n dl i n k so fv a r i o u ss i z e sa n dt y p e s n e wc o n f i g u r a t i o n s ，b a s e do n n e ws p e c i a lt a s k s ，c a nb ee s t a b l i s h e db yi n t e r c h a n g i n ga n dr e - a r r a n g i n go ft h e m o d u l a rj o i n t sa n d l i n k s b y m e a n so f r e c o n f i g u r a b l e r o b o t i c t e c h n o l o g y , m e c h a n i c a ls y s t e m sc a l lb er e c o n s t r u c t e d , a n dc o n t r o ls y s t e m sc a na l s ow o r k i n d e p e n d e n t l y i nm o d e mi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa n d s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s ，t h e t a s k sa l en ol o n g e rf i x e d , s ow en e e df o ran u m b e ro fd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n so f r o b o t s u s i n gr e c o n f i g u r a b l em o d u l a rr o b o t sc a ng r e a t l yr e d u c e t h ec o s t sa n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c y i nt h i s p a p e r , w ec o n d u c t e dap r e l i m i n a r ys t u d y o nt h ep o w e r c u b e r e c o n f i g u r a b l em o d u l e sb y ag e r m a nc o m p a n ya m t e c t h e nb yu s i n go n e p o w e r c u b ew r i s tm o d u l e ，t w op o w e r c u b er o t a t i n gm o d u l e s ，a n ds o m ea u x i l i a r y m o d u l e s ，w eh a v ed e s i g n e dt w od i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n so ff o u r - d o fr o b o t si no r d e r t oc o m p l e t et h es p a c ea n dp l a n et a s kr e s p e c t i v e l y i ti so n eo ft h em a i nt a s k st oe s t a b l i s ht h eu n i f i c a t i o nm o d e lo ft h ek i n e m a t i c a n a l y s i so fr e c o n f i g u r a b l em o d u l a rr o b o t s 1 1 1 ek i n e m a t i cm o d e lc o n t a i n sf o r w a r d k i n e m a t i cm o d e la n di n v e r s ek i n e m a t i co n e i nt h i sp a p e r , ag e n e r a lm e t h o do f a t t a t c h i n gl o c a lc o o r d i n a t ef r a m si so b t a i n e da c c o r d i n gt o t h ed ha p p r o a c h , a n d t h e4 4m a t r i xm o t i o ne q u a t i o n so ft h i sr o b o ta r ed e r i v e d t h ei n i t i a lp o s i t i o no f t h er o b o t 邵a ne x a m p l ew ed ot h ec a l c u l a t i o no ft h ep o s i t i v es o l u t i o n t h e c o r r e c t n e s so ft h ee q u a t i o n sc a l lb ev e r i f i e dt os o m ee x t e n tb yc h e c k i n gt h er e s u l t so f i i i 西华大学硕士学位论文 t h ec a l c u l a t i o n si nr e l a t i o nt ot h ei n i t i a lp o s i t i o n f r o mt h ev i e wo ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，i n v e r s ek i n e m a t i c sm a yb e m o r ev a l u a b l e i nt h a ti ti st h eb a s eo fr o b o tm o t i o np l a n n i n g t l l i sp a p e rp r e s e n t s t h ei n v e r s em o t i o ne q u a t i o n so ft h ep o w e r c u b em o d u l a rr o b o t s as e p a r a t i o no ft h e v a r i a b l e so fu n k n o w na n dk n o wi nt h em a t r i xe q u a t i o ni sc o n d u c t e d e db ym o v i n g t h eu n k n o w nt ot h el e f tb e f o r eg e a i gi t ss o l u t i o n r e p e a t i n gi nt h i sw a y , w ec a l lg e t a l lt h ev a r i a b l e si ne a c hj o i n t i ti s n e c e s s a r y t oo b s e r v ea n da n a l y z et h e c o n f i g u r a t i o na n df i n dt h ei n d e p e n d e n te q u a t i o n sd u et ot h ef a c t t h a tn o ta l l e q u a t i o n sa r ei n d e p e n d e n tw i t he a c ho t h e r f i n a l l y ，w e s t u d i e do ns u c ht e c h n o l o g ya s t h ec o n t r o l s y s t e mo ft h e p o w e r c u b em o d u l a rr o b o t s ，t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h ee l e c t r i c a lc o n t r o l i n t e r f a c e ，a n dt h ec a nb u sa u st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o d u l e sa n dap c 1 1 1 a d d i t i o n ，ab r i e fs t u d yo nd l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) h a sb e e nd o n ea n da i la n a l y s i s t oa l la v a i l a b l ep r o g r a mi sa l s oc o m p l e t e d , f o r m i n gaf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r e r e s e a r c h k e y w o r d s ：p o w e r c u b em o d u l e ；r e c o n f i g u r a b l er o b o t ；k i n e m a t i c s ；c o n f i g u r a t i o n d e s i g n i v 西华大学硕士学位论文 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，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所作的任何贡献均已在论文 中作了明确地说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：7 匆了琴 枷屯年石月，l 日 导师签名：知，踔石月ae l 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着市场竞争的日益激烈，市场需求的不断变化和不可预测，未来的产品 具有以下特点：产品需求趋于个性化、生命周期日益缩短、知识和信息含量日 益增多，这就对产品及其制造系统提出了新的要求。目前采取的方法是：一方 面在产品的设计和生产组织上采用大批量定制生产模式【l 】，产品设计采用基于 产品族的设计方法，建立产品族的模块化平台【2 】，产品的设计成为产品构形的 设计。另一方面是增加制造系统的柔性。如柔性制造系统，采用大量全功能的 加工中心、数控设备、机器人等提高制造系统的功能范围，以满足各种不同类 型和尺寸产品的加工，在过去的制造系统实践中己取得很好的效果。但随着系 统越来越复杂，通过增加系统功能来提高系统柔性的方法已使系统的复杂性大 大提高、可靠性大大降低、生产效率大大降低，显然也不能适应目前市场变化 的需求。因此制造系统发展方向是采用可重构的制造系统，它既具有专用生产 线的效率，又有通用设备的柔性。所以可重构性是未来制造系统、设备和产品 的必要特征。 可重构性就是机电产品或系统能够根据外部环境和任务的变化、内部状态 的变化调整白身结构构形的一种能力。构形重构的动力来自于外部要求的变化 和内部性能的变化；构形重构的目的是适应任务变化的需要；重构的方法有机 械结构构形的变化、控制系统软、硬件结构构形的变化、组织管理形式和方法 的变化。 机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围 正在不断扩展，人们希望机器人能完成更加复杂的任务。通过重新编程，机器 人能很容易地完成许多不同的任务，然而一台机器人能完成任务的范围却受其 自身的机械结构限制。对于给定任务，可以根据任务要求来选择机器人的最佳 结构，如喷漆或焊接作业，一般采用垂直关节结构的机械手，而对于高精度的 桌面精密装配作业，则采用水平s c a r a 结构的机械手【引。对于一些不可预知 的作业任务或不断变化的作业，就无法选择机器人的最佳结构，需要应用许多 具有不同运动学和动力学特性的机器人来完成作业任务，这种做法往往耗资巨 大，甚至于不可行【4 】。例如，空间站上许多工作需要机器人来完成，由于重量 西华大学硕士学位论文 的限制，不可能将所有的机器人都发射到空间站中( 5 】。因此，需要使用一种能 根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务。可重构机器 人的研究正是在此类应用背景下开始的。 1 2 可重构模块化机器人的研究和发展现状 从理论上来讲，机器人是一种柔性设备，它能通过编程来适应新的工作， 然而实际应用中很少使用这种情况。但传统的机器人都是根据特定的应用范围 来开发的，虽然对那些任务明确的工业应用来讲，这种机器人己经足够满足实 际需要了，然而由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而 每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不能满足市场 变化的求，解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统，它是由一套具有 各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构形的机器 人，以适应不同的工作，因此可重构机器人系统的研究己引起越来越多的研究 者和工业应用的兴趣。 1 2 1 国外研究和发展状况 国外对可重构机器人系统己经进行了大量的研究，目前己经开发的模块化 机器人系统或可重构机器人系统主要有两类：一类是动态可重构机器人系统， 另一类是静态可重构机器人系统。 动态可重构机器人系统有：p a m e c h a 和c h i r 墩j i 趾【6 】的构形变化机器人系统 ( m e t a m o r p h i cr o b o t i cs y s t e m ) ，它是由一套独立的机电模块组成的，每个模块 都有连接、脱开及越过相邻模块的功能，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重构的能力。k o t a y 7 1 等人提出了分子 ( m o l e c u l e ) 的概念，自重构机器人的模块称为分子，分子是建立自重构机器人的 基础，分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三维结 构，是二种动态的自重构系统。y i m 8 】研究了一种动态可重构移动机器人，不用 轮子和履带，而是通过称为多边形杆结构的模块从尾部移到前端，实现重心移 动，即机器人的移动，并能通过不同的构形适应不同的环境。m u r a t a 9 】等人提 2 西华大学硕士学位论文 出了一种三维自重构结构，其模块为一种齐次结构且仅一种模块，通过一个模 块在另一个模块上的运动来动态的组成各种结构。 静态可重构机器人系统有：b e n h a b i b 1 0 j 的模块化机器人，提出了基于遥驱 动技术的模块机器人单元，驱动方式类似于传统的工业机器人，认为驱动部分 太重，影响模块机器人的能力，虽然采用该驱动方式使模块化机器人柔性降低， 但易实现，是一个折衷的方案。p a r e d i s ，b r o w n 和k h o s l a t n 】的可重构模块化机 器人系统( r m m s ) ，它利用一套可交换的不同尺寸和特性的连杆和关节模块， 通过组成这些通用模块，能够装配出各种专用的机器人。这种系统特别适用于 可重构，并且考虑了软件可重构。c h e n 1 2 】等人的模块化可重构机器人，设计了 模块库，并研究了构形的设计及运动学和动力学的分析方法。h 一1 3 】等人的模 块化机器人机械臂，对模块的机械设计方面开发了一套软件来实现构形的设计。 h u i 1 4 】等人提出了一种i r i s 装置，它是一种模块化、可重构和可扩展的机器人 系统，该装置具有2 台4 d o f 转动关节机器人，每台机器人均可重构成各种构 形，每个关节由此电机谐波减速驱动，并装有位置、力矩传感器，它的软件也 和硬件一样设计成模块化的、可扩展的和可重构的。f u j i t a 1 5 】等人开发了一个可 重构机器人平台，它是基于s o n y 公司开发的o p e n r 标准来建立各种软、硬 件模块，通过模块组成各种不同的机器人结构，该平台主要用于玩具娱乐业。 m a t s u m a r u 1 6 j 提出了t o m m s 系统( t o s h i b am o d u l a rm a n i p u l a t o rs y s t e m ) ，它是 由关节模块、连杆模块和有操纵杆的控制单元组成的，通过人工能够构成各种 构形的机器人，其运动学是在构形确定的情况下进行的。h a b i b i 等人研究了可 重构液压驱动工业机器人的设计问题。德国a m t e c 公司生产的p o w e r c u b e 产品 是模块化的机器人【1 7 】，目的是以各种特定的机器人满足各种生产需要。j i 和 s o n g 提出了一种可重构平台机器人的设计，它主要针对并联机器人的模块化设 计进行了研究。 从应用范围来看，动态可重构机器人系统主要适用于玩具行业及非制造行 业，如空间机器入，危险作业环境下的特殊机器人等；静态可重构机器人系统 主要适用于工业机器人。 3 两华大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究和发展现状 国内可重构机器人的研究工作还处于探索性阶段。西南交通大学刘思宁和 陈永【18 】等人提出了模块化机器人概念化设计的c a d 系统，它根据模块化机器 人概念化设计的特征，结合了人工智能应用中基于事例的推理机制，提出了面 向任务和基于事例的计算机辅助设计方法和应用软件的框架，以及实现自上而 下的计算机推理机的流程。天津大学的李佳【1 9 】等人的柔性加工单元模块化设计 建模技术，它是通过对柔性加工单元模块数据信息的分析和归纳，构造了用于 柔性加工单元模块化设计系统的产品定义模型，并在此基础上利用面向对象技 术建立了柔性加工单元模块化设计系统的数据模型一模块模型。上海交通大学 的费燕琼【2 0 】等人研究了可重构形模块机器人学，她们对可重构形模块机器人中 的模块进行了简单设计，并对各个模块的运动学和动力学自动生成进行了初步 研究。天津大学的高广达等人【2 1 提出了产品模块化设计中的模块选择算法，它 以树形模块存储结构为基础，通过引入模糊数学中相似优先比的有关理论，提 出了一种对各属性因素进行综合定量考虑的“最相似模块”查找算法，因此对 可重构机器人系统的进一步研究和开发具有理论价值和实际意义。可见国内对 可重构机器人系统的研究多处于理论探索阶段。 1 3 可重构机器人的特点和研究内容 可重构机器人是一种能根据任务需要，重新组合构形的机器人，它是在模 块化机器人研究基础上发展起来的。可重构机器人就是利用一些不同尺寸和性 能的可互换的连杆和关节模块，象搭积木似地组合成特定构型的机器人，这种 组合并不是简单的机械重构，还包括控制系统( 电子硬件、控制算法、软件等) 的重构，因为模块关节本身就是一种集通讯、控制、传动为一体化的单元。 可重构机器人的种类很多，如可重构的机械手、可重构的步行机器人、可 重构的并联机器人、可重构的娱乐机器人、可自重构的机器人等。归纳起来主 要有三种类型的可重构机器人，第类是需要外界参与才能进行重构的机器人， 如可重构的模块化机械手系统( 简称r m m s ) ；第二类是通过独立的模块自主地 进行构型的可重构机器人，如细胞机器人系统( c e b o t ) ：第三类是变形机器 人，如图1 1 所示日本s o n y 公司研制的可变性玩具机器狗。 4 西华大学硕士学位论文 f i g 1 1t r a n s f i g u r a b l et o y r o b o td o go fs o n y c o r p 图1 1s o n y 公司研制的可变形玩具机器狗 可重构机器人研究的内容很多，归纳起来主要有以下几方面内容： ( 1 ) 口- - i 重构机器人的构形研究：可重构模块化机器人构形设计的目的就是如何找 到一个最优的装配构形来完成给定的工作。可重构模块化机器人构形设计的方 法主要考虑以下三个问题：首先要确定构形的表达方法；其次就是确定构形的 评价标准；最后采用适当的优化方法确定满足给定任务的最优构形。 ( 2 ) 模块( 最小组成单元) 的研究：模块是可重构机器人的组成单元，种类很多， 功能各异，其共同点如下： 模块应满足可重构机器人的构形需要； 模块应具有规划、推理、决策能力； 模块应具有通讯、协商能力； 模块应具有完成特定运动和动作的驱动能力； 每个模块在满足要求的条件下应具有最小重量和最小惯性； 每个模块可以快速连接到任意其它的模块上。 ( 3 ) 可重构机器人的运动学、动力学和控制策略的研究：随着可重构机器人构形 的变化，其运动学和动力学模型也在变化，传统的机器人运动学、动力学求解 方法己不适合，必须探索新的方法。 ( 4 ) 可重构机器人系统的实现方法研究等：通过这些研究，使机器人增加以“不 变的系统”应“万变的任务 的能力，扩展机器人的应用空间。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文主要是对p o w e r c u b e 可重构模块化机器人的模块、构形、运动学和 控制编程进行研究。主要工作包括对p o w e r c u b e 模块化机器人功能模块的研究、 西华大学硕士学位论文 构形设计、运动学数学模型的建立、奇异位形的研究、运动学反解的计算、编 程控制验证等。具体的研究工作如下： ( 1 ) 研究了本实验室已有的p o w e r c u b e 功能模块，试以4 自由度p o w e r c u b e 的模 块机器人为例，进行构形搭接； ( 2 ) 根据给定的工作任务和p o w e r c u b e 功能模块，寻找了两种机器人构型，分别 用来完成平面和空间的工作任务： ( 3 ) 对可重构的p o w e r c u b e 模块化机器人的其中一种构型，利用d h 方法建立 了机器人运动学的数学模型，求解了机器人初始位置时的正解，验证了机器 人运动学方程的正确性； ( 4 ) 对可重构机器人构形的奇异位形问题进行了分析、研究，然后求解了机器人 的运动学反解，为进一步的控制提供了理论依据； ( 5 ) 对p o w e r c u b e 可重构模块化机器人的通信、控制系统和编程进行了初步的研 究，通过实验验证研究方法的可行性。 6 西华大学硕士学位论文 第二章p o w e r c u b e 可重构模块研究和构型设计 2 1 机器人模块研究 2 1 1 概述 近几十年来，产品更新速度越来越快，加之市场竞争日益激烈，许多企业 被迫走上了多品种，中小批量的生产方式。因此，传统的设计思想和制造方式 己无法适应现代化社会多样化、快节奏的新要求。为适应这一转变，各种新思 想、新方法，例如成组技术、计算机辅助技术等应运而生，模块化思想也是其 中之一。 现代制造技术面临的问题是要求制造设备是可重构的设备，同时要求机器 人在任务预先无法确定的情况下能够适应环境和任务的变化。而传统的机器人 都是为了满足特定的应用需要而被开发出来的，它所能完成的任务范围是受其 自身的机械结构限制的，一旦机器人的机械结构确定之后，它的工作能力也就 确定了。虽然对那些任务明确的工业应用来讲，这种机器人己经能足够满足实 际需要了，但由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而每 种机器人的构形仅仅能适应有限的工作，所以说机器人的柔性不能满足目前市 场变化的要求。解决这个问题的方法之一就是开发可重构模块化机器人系统， 使机器人的结构构形能够根据任务要求和外部环境的变化而发生改变。此系统 是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的关节模块和连杆模块组成的，通 过对模块进行不同的组合就能装配出各种不同构形的机器人来适应不同的工作 需要。也正是因为这种特点，关于模块化机器人系统的研究己引起越来越多的 研究者和使用者的兴趣。 模块并不是一个新的概念，早在2 0 世纪初期的建筑行业中，将建筑按照功 能分成可以自由组合的建筑单元的概念就己经存在，这时的建筑模块强调在几 何尺寸上可以实现连接和互换。然后，模块被引入机械制造业，人们进一步将 模块与物理产品的功能联系到了一起，模块具有了明确的功能定义特征、几何 连接接口，以及功能输入、输出接口特征。 模块化在工业中的应用可以追溯到2 0 世纪3 0 年代，德国在铣床上采用了 所谓积木式设计。2 0 世纪6 0 年代以后，模块化设计在国外机床行业得到普遍 推广。如德国s a r m a n n 公司生产的具有横系列和跨系列特点的镗铣床， 西华大学硕士学位论文 w e n r n e r 公司生产的模块化t c 5 0 0 、t c l 0 0 0 加工中心，法国h u r o n 公司 生产的模块化铣床等【4 l 】。我国在2 0 世纪7 0 年代以后，一些企业也先后进行了 模块化设计实践，如北京第一机床厂和武汉重型机床厂和天津第一机床厂等在 不同程度和规模上采用了模块化设计，并取得了良好的效果【2 8 】。近年来，随着 面向大批量定制，基于敏捷制造的机床企业的兴起，模块化设计的研究和应用 再次成为热点。但机床行业( 也包括其他机械产品) 的模块化设计并不是简单地 拼装模块，机床产品具有的刚度、强度和精度等性能参数约束使其模块、接口 的标准化更为复杂：作为典型的机电液一体化产品，如何从系统角度协调机、 电、液等各个子系统之间的关系，也是机床模块化设计需要研究的个重要问题。 模块化设计的概念是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，模 块化设计方法的不断完善和推广使用，也必然会加速产品设计和生产的革命性 发展。 2 1 2 模块的概念 模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一 致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相 关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化的产品设计可以达到以下几 个目的：模块的组合配置，就可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求； 相似性的重用，既可以重用己有零部件和己有设计经验，也可以重用整个产品 生命周期中的采购、物流、制造和服务资源；减少产品工程复杂程度，因为模块 是产品部分功能的封装，产品设计人员使用具体模块时根本不用关心内部实现， 可以使研发人员更加关注项层逻辑，提高产品工程管理质量和产品的可靠性。 模块化程度，即在考虑品种、性能和成本条件下，产品的功能或结构如何 划分或聚类，这是产品结构分析的一个重要问题。其中，模块化协调品种与成 本之间的关系，集成化协调性能与成本之间的关系。因此，需要在模块化和集 成化之间的寻找一个最佳的平衡点，使模块化的实施取得最佳效益。e m e s 从 设计角度将产品结构分为稳定和可变部分，对稳定因素予以集成以改善成本与 性能比，对可变因素进行模块化开发改善成本与品种矛盾。一般来讲，通用模 块中所占的稳定因素较多，而专用模块则是针对产品结构的可变因素而设计的。 西华大学硕士学位论文 产品结构分析的结果是完成模块化产品族的规划。产品族可定义为是一组 产品，它具有相同的内部接1 2 1 ，这些接口在设计的各个领域( 功能域、技术域、 物理域) 中必须为标准接口，以使产品的部件能够完全互换。一定情况下，产品 族也由一个参数化数据结构表达，当所有参数被赋予确定的数值时，可以唯一 确定一个产品。 具有标准接口的可互换模块是模块化产品的基本单元，由一系列模块组成 的系统就构成了模块化产品族的基础。模块化将产品划分为模块，系统地使用 这些通用模块可以组成多种多样的产品。图2 1 描述的就是模块系统与产品族 的关系，其中通过使用模块族中的不同模块可以组合成所谓的产品系列，即产 品族。按照模块性能、结构的不同及其通用范围，产品族可进一步细化为横系 列、纵系列、跨系列和全系列等几类【3 3 1 。 所 f i g 2 1r e l a t i o nb e t w e e n m o d u l a rs y s t e ma n d p r o d u c tf a m i l y 图2 1 模块系统和产品族的关系 2 1 3 模块的划分 2 1 3 1 模块划分方法 基于企业的特定需求，将产品按照产品结构和功能划分成可以重用和互换 的不同功能单元，每个功能单元具有相对稳定的、一致的几何连接接口和输入 和输出接口。特定需求包括：大量的客户需求；企业产品研发特点；企业生产 和采购实际；产品的维修服务需求。因此，模块的划分应尽量考虑整个产品生 9 西华大学硕士学位论文 命周期中各个环节的需求，比如产品的模块可以考虑工艺合件、采购合件和维 修合件等。但是，有的时候企业不同领域可能对某种模块划分的需求是相悖的， 这时就需要企业进行平衡，要不改变企业业务模式以适应模块划分，要不容忍 这种划分的缺欠并作为以后优化模块方案的内容。 2 1 3 2 模块划分的意义 进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本 单元进行设计。因此，模块划分的合理性对模块化产品的性能、外观以及模块 的通用化程度和成本都有很大影响。从功能、生产或运输等不同角度，模块可 以有不同的分法和层次，这里主要从功能角度进行分析，讨论模块的划分问题。 就本质来讲，可以把产品从任意层次上进行划分，形成该级别的模块。模 块的层次和级别愈低，模块愈简单，通用化程度愈容易提高，但产品制造、装 配的管理也愈复杂，因此，目前多以部件或分部件为模块。对于系列化程度较 高的产品，应以分部件为模块，以扩大模块的通用范围：对于非系列化或系列化 程度较低的产品，则应该以部件作为模块，或者采用混合方式，即部分采用部 件为模块，部分采用分部件为模块。 通常按功能分析方法，把产品分为若干单元，把这些单元称为功能模块， 由功能模块系统实现产品的总功能。 2 1 3 3 模块划分的一般原则 要建立模块库，首先必须要将产品划分成若干模块，模块划分的一般原则 为： ( 1 ) 尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模块组合式 产生混乱； ( 2 ) 以有限的模块数来获得尽可能多的实用的组合方案，以满足用户的需要； ( 3 ) 划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性； ( 4 ) 要充分注意模块间的结合要素，以便于结合和分离； ( 5 ) 要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响； ( 6 ) 模块单元的划分必须考虑经济因素等。 1 0 西华大学硕士学位论文 2 1 4p o w e r c u b e 模块 本论文所研究的可重构模块化机器人是德国a m t e c 公司生产的p o w e r c u b e 可重构机器人模块构成的。p o w e r c u b e 模块是德国a m t e c 公司生产的模块化机 器人，它将驱动电机、控制器、传感器和通信电路等集成在标准模块中。a m t e c 公司为用户提供数种类型的p o w e r c u b e 模块( 旋转模块、移动模块、腕关节模 块、夹手模块等) ，用户可以根据自己的需要选择各种类型、尺寸的模块，组装 出适合工作要求的不同构形的机器人。目前，p o w e r c u b e 模块化机器人已经在 国外的许多企业和研究机构中得到广泛应用。 p o w e r c u b e 模块的种类有p r ( p o w e r c u b er o t a r ym o d u l e s ) 如图2 2 所示、 p w ( p o w e r c u b ew r i s tm o d u l e s ) 如图2 3 所示、p g ( p o w e r c u b eg r i p p e r ) 、p d u ( p o w e r c u b ed r i v eu n i t ) 、p l b ( p o w e r c u b el i n e a ra c t u a t o r s l i n e a rb e l t ) 、p l s ( p o w e r c u b el i n e a ra c t u a t o r s l i n e a rs c r e w ) 、p s m ( p o w e r c u b es y s t e mm o t o r ) 鸳【1 7 】 ， 口o r o t a r ym o d u l o $ f i g2 - 2p o w e r c u b er o t a r ym o d u l e s 图2 - 2p o w e r c u b e 旋转模块 西华大学硕士学位论文 w r i s tm o d u l e s f i g2 - 3p o w e r c u b ew r i s tm o d u l e s 图2 - 3p o w e r c u b e 腕关节模块 总结他们设计出的模块的优缺点，再根据可重构模块化机器人模块设计的 原则，要求主动模块在运动学、动力学上有一定的独立性。我们将主动关节作 为一个独立的模块。由于串联结构的运动性能是由连杆参数决定的，即由两个 关节轴之间的关系来决定，因此模块的设计应有利于连杆参数的改变。根据这 种模块设计方法，我们研究了p o w e r c u b e 模块库，它是由关节模块、连杆模块 和辅助模块三类模块组成。这三类模块除了在它们连接处的尺寸相配合外，每 个模块的设计都是相互独立的，并且每类模块都包含了许多不同尺寸系列的模 块。 p o w e r c u b e 模块包括一个自由度的旋转关节模块、移动关节模块和两个自 由度的腕关节模块以及夹手模块等数种形式( 如图2 _ 4 2 5 所示) 。每种关节模块 内部都装有独立的驱动与传动单元。旋转关节模块是可以绕自身轴线旋转的： 移动关节模块是沿自身轴线往复移动的。其中，旋转关节和移动关节是最基本 最简单的关节，机器人结构的研究就是以这两种基本关节为基础的。 西华大学硕士学位论文 m a 卜一1 r卜o_ 一 c 黧卜一 叠卜o。一 c l b t d i m e n s i o n s ( m m ) p r0 7 0p r 0 9 0p r l l 0 a一0 21 4 0 51 8 0 52 2 0 5 b0 0 37 09 01 1 0 c 0 0 l 5 57 09 0 mm 4 6 f 7m 5 8 f 7m 6 8 f 7 f i 9 2 - 4s t r u c t u r eo fr o t a r yw r i s tm o d u l e s 图2 _ 4 旋转关节模块结构图 a d i m e n s i o n s ( m m ) p r0 7 0p r 0 9 0 d i m e n s i o n s ( m m ) p r 0 7 0p r 0 9 0 a- 0 11 6 0 1 8 5 f 0 1 9 01 0 2 5 b一0 17 09 0 g 0 1 西4 2 4 6 7 c0 0 1 5 57 0lm 4m 5 d笳0勿7 5m m 4 6 f 7m 5 8 f 7 e 1 1 0 1 3 7n 4 x 西4 36 x 西6 3 f i 9 2 - 5s t r u c t u r eo fw r i s tm o d u l e s 图2 5 腕关节模块结构图 1 3 西华大学硕士学位论文 连杆模块包括普通连杆和拐角连杆模块两种形式，是用于调节关节模块轴 线之间的距离和方向的。连杆模块是自由度为零的，并且内部没有独立的驱动 与传动单元。每个普通模块的轴线是共线的，而拐角连杆模块连接的前后两个 关节模块的轴线是互相垂直的。 辅助模块包括基础模块和连接模块。为了便于机器人与底座的安装，以及 调整整个机器人的高度而设计的一种基础模块，它是机器人的固定模块，基础 模块也是自由度为零的。连接模块是用于连接不同尺寸系列的关节模块、连杆 模块和基础模块。如果装配的可重构模块化机器人所需要的关节模块、连杆模 块和基础模块是同一尺寸的，那么就不需要连接模块。 p o w e r c u b e 的可重构模块化机器人的模块避免了一般的模块的不足，其优 点是： ( 1 ) 在同一尺寸系列中的两个模块可以直接进行连接，这样整个机器人的重量就 会降低，增加了可靠性； ( 2 ) 满足构形变化需求。机器人重构首先要求机械结构能够发生较大的改变，因 此各模块之间应有较方便的连接接口； ( 3 ) 构造一个机器人时使用了尽可能少的模块数和模块类型，提高了机器人的可 靠性，而且便于构形的管理。利用p o w e r c u b e 模块搭接出要实现某些较复杂 构形的机器人时，只需几个关节模块和几个连杆模块就能实现。而用普通模 块，可能需要的模块数会很多，或者无法实现所需的机器人构形； ( 4 ) 机器人装配后能立即工作，完成实际的任务。 2 2 构型设计 2 2 1 概述 可重构模块化机器人的构形设计是一种基于任务的设计过程。基于任务的 问题一般由几个设计阶段组成，例如：运动学设计、动力学设计、轨迹规划和 控制等。解决这一问题的关键就是如何找到一个合适的机器人构形来完成给定 的任务。基于任务的设计是非常困难的，主要是因为设计空间的大小随着所设 计的模块类型的数量和自由度的增加而成倍数增加，如何找到一种方法把构形 空间与任务空间之间的关系建立起来，是我们要解决的问题。 1 4 西华大学硕士学位论文 在可重构模块化机器人的构形设计中，由于各模块之间的强耦合关系，这 就使得可重构模块化机器人的构形设计问题比其它机电产品的构形设计问题要 复杂的多。因此用已有的设计知识和功能分析方法都难以很好的解决可重构模 块化机器人的构形设计问题。在给定一套模块元件库后，在一定知识库的支持 下，从原理上来讲能够通过直接搜索的方法来求解构形设计问题。但实际上由 于问题的组合复杂性和各模块之间的强耦合关系使这种搜索求解方法变得非常 困难，因此将构形设计分解为两个阶段。第一阶段根据任务要求确定机器人的 概念构形，即确定能完成给定任务的机器人的体系结构，这个体系结构反映了 机器人的基本结构构形，称为概念构形设计；第二阶段就是结构构形的精化。 这一阶段就是具体确定完成任务的机器人的特定模块及它们之间的连接关系， 称为构形设计，目前的可重构模块化机器人构形设计系统基本上解决的就是此 阶段的构形设计。 构形设计是一个优化设计，要获得运动学、动力学、精度、结构等各个方 面都最优的机器人。目前t h e n 1 2 】等人采用遗传算法进行构形设计。他们对给定 的任务定义了一个目标函数来评估模块机器人的装配结构，因为这个目标函数 仅考虑了运动学参数，所以只能进行运动学构形设计。c h o c r o n 等人也是采用 遗传算法进行构形设计。他们把遗传算法分成高水平和低水平，高水平的遗传 算法用于拓扑结构的