多变魔方机器人模块的研究-文献综述

第1页开题报告（文献综述）1.引言随着机器人应用在广度和深度上的发展,人们希望在简化机器人设计、减少结构部件和降低机器人成本的同时，增强机器人功能和结构的多样性，所以在机器人学研究领域出现了可重构机器人（ReconfigurableRobot）的研究1。根据已有的研究基础，我们以电子数字魔尺为例，研究出一种新型的可重构模块化机器人，它与可重构模块化机器人系统类似，由功能简单而具有一定感知能力的机器人模块有机连接而成，同时拥有自重构、自组装和群体机器人的特点。它的每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔方结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形2。这些模块通常由机械机构、驱动电路和通信接口组成，能够快速拆装、互换装配、互相通讯、协调控制。参考文献1-3介绍了什么是可重构机器人,它有什么特点,什么是多变魔方机器人多变魔方机器人的模块具有什么特点,多变魔方机器人有什么应用价值。参考文献7介绍了蛇形魔方,这是一种由相同的27个正方体模块串接组成的模块化机构。文献在对该机构综合分析的基础上，着重于研究模块的几何描述、运动干涉检测、正逆运动学的计算以及机构的等价变化等重构理论问题。这对本设计提供了重要的理论基础。2.研究的原理以及方法2.1.魔方与魔尺魔方(RubiksCube)是匈牙利建筑学教授和雕塑家鲁比克艾尔内（RubikErn）于1974年发明的机械益智玩具。三阶魔方的总变化数是：魔尺（RubiksSnake）是魔方的衍生物，也称蛇形魔方，它由二十四个相连的直角三角形柱体所组成的一种玩具。每一个三角块可以随意地左右扭动，变成各种不同的东西（例如：狗、蛇、乌龟），也可以把2条或以上的魔尺在扭成合适的形状后再加以合并成为更复杂的东西。魔尺的形态(只计所有三角块均以90度角扭动来计算)有：第2页魔方与魔尺的示意图见图1和图2图1魔方图2魔尺另一种蛇形魔方由27个相同尺寸的两两相互连接的立方体模块串联连接组成，称为蛇形正方体。通过不同的旋转变化变换成三阶的立方体，见图3图3蛇形魔方构形图(完全展开和完全收拢状态)2.2.控制系统设计使用ARM进行编程控制，在Keil软件的开发平台上，电子数字魔尺的软件控制系统设计编程主要是可以将软件执行的主要过程分为几个模块来思考将其分为主程序模块、步进电机驱动模块、反馈信号检测模块以及显示模块主程序将作为整个程序的核心，根据相应的需要来调用其他的相应子模块，同时在程序的执行过程中，由于该软件程序既涉及到有实时性要求较高的控制过程（比如对于反馈信号检测的过程）又涉及到一系列时间要求较高的控制过程（比如对于步进电机的控制过程），在数据配置的时候，要经过不断的尝试，调试。参考文献4-15介绍了可重构模块化机器人的构形设计与运动学、模块化可重构机构理论、可重构模块化机器人通用接口等研究成果，这些研究成果为我第3页们提供了丰富的资源。3.系统总体设计方案电子数字魔尺的模块由数字传感器、驱动器、控制器、通信接口和显示装置等组成，两种不同关节的模块示意图如图4所示。驱动器控制电路通信接口通信接口控制电路驱动器传感器传感器显示装置显示装置图4电子数字魔尺的模块电子数字魔尺由若干个不同关节的模块拼装而成，示意图见图5图4拼接后的电子数字魔尺4.设计创新特点本设计创新特点体现在趣味性、展示性、拓展性、综合性。(1)趣味性魔尺作为魔方智力玩具的衍生物，象征着智慧、时尚、休闲、隐喻，魅力无穷，特别能吸引各种人群。它与机械、电子、通信、电脑的结合，将会激发更大的魔力。(2)展示性魔尺作为百变魔方的一种，其造型丰富，能形成众多形态，再配上表面的灯光显示，第4页具有很强的展示功能。如将其作为一种新颖的室外大型电子“数字魔型”，布置在校园内或公共场所，在不同的时间、场合展示不同的造型，可以用来隐喻钻石、永恒、爱心、企盼、晴天、大风等，见图5。“数字魔型”在展示学校形象、文明精神、重大事件以及天气预报等方面，有着巨大潜力。（3)拓展性电子数字魔尺作为可重构机器人，其模块不仅在机械结构上可以快速配置，形成不同构型的机器人，而且在电子线路上也能快速拓展，其通信接口和协议、分布式控制技术拓展性，对其他系统也有借鉴作用。(4)综合性电子数字魔尺融合了数字化传感技术、控制技术、计算机技术、机电技术等多种技术。图5魔尺的隐喻造型参考文献1周强强,关胜晓.可重构模块化机器人研究J.计算机系统应用,2008,17(9):28-32.2揭宗昌，郭力峰.多变魔方机器人的控制系统设计J.微型机与应用,2011,30(7):101-103.3龙斌,毛立民,孙志宏,陈革.国外自主变结构模块机器人发展现状J.机械设计,2005,22(5):1-4.4张艳丽，郭建烨.可重构模块化机器人的构形设计J.沈阳航空工业学院学报,2002,19(3):42-44.5王永甲.可重构模块化机器人构型设计理论与运动学研究D.南京:南京理工大学,2008.6周强强.可重构模块化机器人通用接口研究D合肥:中国科学技术大学,2008.7丁希仑,吕胜男.基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论J.机械工程学报,2012,48(11):126-135.8张艳丽.可重构模块化机器人系统的试验研究J.沈阳航空工业学院学报,2009,26(1):35-37.9汪洋,李斌,陈丽.蛇形机器人控制系统的设计与实现J.机器人,2003，25(1):491-494.10郭力峰,揭宗昌,蔡泽辉.基于XC886单片机的魔方机器人设计J.电脑知识与技术,2011,7(23):5701-5703.11张建军,葛运建.基于现场总线的分布式智能机器人感知系统研究J.机器人,2002,24(3):244-247.12韦婷,肖南峰.基于数据手套的仿人机械手控制系统J.计算机工程与设计,2009,30(7):1707-1711.第5页13张婕,赵春萍,周挚.基于组态技术的机械手控制J.微计算机信息,2