多变魔方机器人模块的研究——以电子数字魔尺为例

第0页可重构模块化魔方机器人设计【摘要】：本设计介绍了一种新型的可重构模块化机器人(多变魔方机器人)，它同时拥有可重构、可组装和群体机器人的特点。多变魔方机器人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。多变魔方机器人选用控制功能强大的32位ARM芯片和应用I2C总线通信构建了模块化分布式控制系统，有效地实现了机器人的运动控制。本文详细描述了多变魔方机器人模块的硬件结构，软件体系以及系统的工作原理。【关键词】：模块化机器人；可重构；嵌入式；分布式控制系统；第1页Abstract:Thisdesignintroducedthedevelopmenttrendoftherobotandtheprincipleofanewtypeofreconfigurablemodularrobotisstudied.Designbasedontheresearchofchangeablerubikscuberobotmoduleindigitalelectronicmagicfeet,forexample,using32-bitARMMCUtorealizecontrolofthedigitalmagicfeet,maketherealizationofeachmodulecanbeautonomousmobileandself-assembledintoarubikscubestructurewithothermodule,canalsobeconfiguredtoavarietyofdifferentforms,realizethedeformation,andotherfunctions.BasedonARMmicrocontrolleriseasytocontrolthesystemreliableworkprecisionhigheraseriesofuniqueadvantages.Keywords:modularrobot;reconfigurable;embedded;distributedcontrolsystem;I2C-目录前言.1第1章绪论.1第1.1节课题中的基本概念.1第1.2节国内外的研究现状.2第1.3节与本设计有关的研究积累和已取得的成绩.3第2章系统方案.5第2.1节系统设计要求及原理.5第2.2节系统设计的总体方案.6第2.3节设计研究技术路线.7第3章多变魔方机器人硬件平台.8第3.1节模块单元设计.8第3.2节驱动机构设计.9第3.3节控制核心STM32F103ZET6.10第3.4节机械结构设计方案.11第3.5节传感的的选择.11第3.6节通信系统.12第4章多变魔方机器人控制系统设计.14第4.1节控制系统分析.14第4.2节构建系统的总体框架.16第4.3节模块软件概述.18第4.4节系统控制软件设计.18第5章多变魔方机器人系统协调.22第5.1节模块机器人构型组合设计.22第5.2节机器人构形的确定.22第5.3节机器人构型识别.24第5.4节构形的自动重建.25结论.27参考文献.28致谢.29附录.30附录1：实物照片说明.30附录2：部分源程序.31第0页前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，增强机器人系统性能，增加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(ReconfigurableRobot)的研究。可重构机器人是由功能简单而具有一定感知能力的模块机器人有机联接而成。通常由一套具有多种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，可以被装配成不同构形的机器人，以适应不同工作环境和任务的要求。这种组合并非简单的机械重组，还包括控制系统(电子硬件、控制算法、软件等)的重组，因为模块本身就是一种集传动、驱动、控制、通讯为一体的单元。模块化机器人系统的突出优点是:重构性好、装配方便、灵活性好、功能多样、适应性强和便于维护。可重构模块化机器人的研究的攀础和核心是将机器人分解为标准化、模块化的组件，研究这些模块化组件如何有机的结合，从而达到机械系统的快速拆装、功能模块间的有效通讯、整体机器人系统的协同控制。本文将以电子数字魔尺为例将在可重构模块结构设计和控制方式上进行有益的探索和研究1。第0页第1章绪论第1.1节课题中的基本概念1.1.1.可重构机器人与多变魔方机器人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。多变魔方机器人就是一种新型的可重构模块化机器人，它同时拥有自重构、自组装和群体机器人的特点。多变魔方机器人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。可重构机器人由功能简单而具有一定感知能力的模块机器人有机连接而成。多变魔方机器人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。这些模块能快速装配出适用于完成给定任务的机器人，因此多变魔方机器人的模块应具有以下特点3：用户应能很方便地拆散和装配各种模块组成不同的机器人构形满足特定的工作要求。构造的机器人构形使用的模块数和模块类型应尽可能地少。用户对控制软件的修改也不应做复杂的操作。装配的模块化机器人应能立即工作，完成实际任务。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。1.1.2.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：1912803.40,85649,2703,543！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：423=7036874417766471013魔方与魔尺的示意图见图1-1和图1-2第1页图1-1魔方图1-2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1-1-3。图1-3蛇形魔方构形图(完全展开和完全收拢状态)我们把利用电子数字技术设计的机电一体化魔尺称为电子数字魔尺。通过安装在每个魔尺模块中的电子数字传感器来监视电子数字魔尺的形态，也可以通过电子数字驱动电路来改变电子数字魔尺的形态。第1.2节国内外的研究现状国外对可重构模块化机器人研究起步较早,主要成果有：美国卡梅隆大学RMMS可重构模块化机器人，日本东芝公司研制的TOMMS可重构机器人系统，加拿大ESI公司生产的模块化机器人系统,德国AMTEC公司的PowerCube模块产品等。东芝公司TOMMS的设计概念见图1-2-1。第2页图1-2-1TOMMS的设计概念国内有许多研究所和高校对可重构模块化机器人进行研究,如中国科学院沈阳自动化研究所、东南大学、上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等，也取得了许多成果，见参考文献5-15。第1.3节与本设计有关的研究积累和已取得的成绩1.3.1.模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式可重构模块化机器人是机器人学的一个新的发展方向,其研究的核心和基础问题是可重构机器人的模块设计以及模块组合的运动规划。北京航空航天大学机器人研究所提出的基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式4为项目的研究提供了重要参考信息。北京航空航天大学机器人研究所提出的基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式为项目的研究提供了重要参考信息。1.3.2.模块机器人的结构对模块机器人的结构进行了研究。可以归纳出6种模块，其中包括3种关节模块,2种连杆模块和1种基座模块，同时还对3个自由度模块机器人的结构进行了设计。可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成，这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人。参考文献5对可重构模块化机器人的基本模块、构型数学表达方法、构型优化方法与运动学作了相应研究。1.3.3.模块化机器人通用接口模块化机器人通用接口的研究和设计是基础重要基础。基于现场总线的通信接口是模块化机器人常见选择，例如基于CAN总线的控制系统结构能够适应机器人模块的连接机构，进行状态监视和控制，并能灵活扩展,见参考文献6。1.3.4.多变魔方机器人的人机交互第3页基于本人的现有水平，借助现有软件资源可提高开发效率。利用ARM软件技术能对多变魔方机器人进行有效而灵活的控制，并能提供良好的人机交互界面，能充分体现上位机的图形、控制和数据管理能力的优势,以及对机器人的适应性和控制驱动能力，见参考文献2。第4页第2章系统方案第2.1节系统设计要求及原理2.1.1.系统的设计要求(1)、研究目标通过设计制作一种机电一体化电子数字魔尺，展示多变魔方机器人的应用价值。通过在校园内展示电子数字魔尺的百变造型，激发大家对电子技术、机械工程、通信技术、计算机技术的学习兴趣和创新意识。结合研究内容，设计一个用于电子信息、机械工程、测控和计算机专业的综合设计实验案例，用于实践教学。锻炼实践能力和理论分析能力，从而培养科研能力。(2)、设计内容寻求一种可重构的机器人模块机械机构，该模块能方便地拆散和装配，形成不同构型的机器人形状。可重构的机器人模块配由合适的传感器、执行器、控制器、通信接口和其他显示装置组成，通过通信线路进行采集、驱动模块状态，随时感知和改变机器人形状。建立相应的数学模型，在上位机上通过人机界面，实现对机器人的形态的监视和控制。融合数字化传感技术、计算机技术、机电技术，最终完成一个形象的、实用的电子数字魔尺的制作。2.1.2.设计的创新特色本项目的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，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2-1。“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，形成不第5页同构型的机器人，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。结合研究内容，设计一个综合应用实验案例，用于实践教学，对锻炼学生的实践能力和理论分析能力，培养学生的科研能力，有着重要意义。图2-1魔尺的隐喻造型第2.2节系统设计的总体方案电子数字魔方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2-2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2-2电子数字魔尺的模块电子数字魔方由若干个不同关节的模块拼装而成，示意图见图2-3。图2-3拼接后的电子数字魔尺该电子数字魔方可以实现感知、通信、驱动、传动和信息处理的融合，根据多智能体机器人系统的相应协调控制策略完成多种形态的变化和快速组装。第6页第2.3节设计研究技术路线多变魔方机器人模块的研究主要涉及机械机构、硬件电路、通信接口与软件开发等方面内容，具体分为三个阶段：调研、设计和总结，项目研究技术路线具体见图2-4。信息收集硬件电路方案选择机械机构方案选择通信与软件方案选择汇总分析总结满意？结束准备YYNN机械机构设计硬件电路设计机械机构制作硬件电路制作满意？修改硬件设计软件设计调试满意？修改方案Y论文撰写N综合实验设计修改设计图2-4项目研究技术路线第7页第3章多变魔方机器人硬件平台硬件模块应该具有:实现快速拆装、可重构、模块化等特性。模块化机器人最为显著的特性是模块规模的可伸缩性，也就是说，机器人系统的规模随着模块数量的变化而变化。这种能力的重要性体现在获得最佳的构形以完成相应的任务，在自我修复方面也是很有用的，自我修复是指分离损坏的模块，代之以其他功能正常的模块。模块机器人可能由各种各样的小机器人构成，这些小机器人适合在狭小的空间里进行搜寻或者自行探索;或者组合成大的模块机器人，通过集团动作爬越障碍物。为了实现这种功能，从大结构中分离/产生小机器人和连接/整合小机器人构成大机器人结构的能力是十分必要的。显然，分离操作容易实现，而重新连接那些已经分离的模块比较难以实现。第3.1节模块单元设计在进行模块设计时，结合国内外已有圆形系统的设计方案，本文提出了一种兼具阵列式系统和串联式系统优点的新型三维模块结构采用如图3-1所示，具有一个转到自由度和六个通用连接自由度，转动运动后形状保持不变。每个模块由两个立方体，中间由一个圆柱体连接，两个半快之间通过电机输出轴连接成一体，能够实现范围为360的相互转动。模块与模块之间通过机械的方式可以方便的连接和分离。每个模块分为主动部分(active)和被动部分(Massive),主动部分具有三个主动连接面(male)，被动部分有三个被动连接面(female)，任意一个主动面都可以连接到其他模块的被动面上，连接操作可以由人为手动完成，也可以由机器人系统通过模块间的配合协调自动完成。当几个模块相互连接起来，就构成了模块化机器人系统，可以协调控制整体机器人动作。每个模块具有一定智能，执行相应的动作。图3-1多变魔方机器人模块第8页虽然只有一个转动自由度，使模块的运动不具备完全的空间对称性，但是利用多个不同方位模块的组合运动，可以克服不对称性带来的影响，保证机器人系统的运动灵活性。这样，模块不但具备了阵列式系统的局部模块的重构功能而且具备了串联式系统整体构型的运动功能。根据模块的机构，如果控制模块间主动模块和被动模块转动的相对角度在0度或者90度的状态，那么所有机器人模块连接在一起就构成了规则的立体结构机器人。基于这一点，在一般的操作中，我们甚至不需要知道相邻模块精确的角度值。相比较其他销孔式连接方式，或者电磁铁加上现状记忆合金(SMA)设计的连接机制，我们这种连接机构设计，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。机器人模块连接主动模块和被动模块的中间部分，是一个圆柱体，里面装有一个带有测量角度的电压计的电机，里面有电机的驱动电路，可以实现位置控制。第3.2节驱动机构设计电机是机器人模块的执行机构，在整个系统中，它占据重要的位置。它的重量大约占据整个模块重量的30%-50%，它的体积也将占据模块内部空间的一半以上，能尽可能减轻它重量和体积很有利于模块设计的小型化。它的输出动力决定机器人能否完成预定步态的运动，足够的输出力矩也有利于减小步态规划中的局限和机器人的平稳移动。模块的驱动机构，主要满足足够的负载驱动能力和较小的尺寸这两点要求。这需要驱动机构具有较高的功率/重量比，为此，选用了一体化RlC数字舵机，它集成了电机、驱动器、检测部件和减速机构等，体积小、精度高、输出力矩大、控制接口简单，采用脉冲宽度调制方式直接进行位置控制，降低对控制系统的要求。根据模块的结构设计及运动规划的要求，在极限情况下，一个模块需要带动最多两个模块运动。步进电机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度需要精确控制的系统。其工作原理是:通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。为了达到大扭矩的要求，我选择了一种带减速器的步进电机，如图3-2所示，这种步进电机体积小，质量轻，力矩大。第9页图3-2带减速器步进电机第3.3节控制核心STM32F103ZET6STM32开发板Open103Z是一块以STM32F103ZET6为主控芯片的开发板如图3-3所示，它带有丰富的扩展接口，支持各类外围模块的接入。它使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设还包含多个标准和先进的RS485通信接口。图3-3Open103Z实物模块化分布式控制系统是一个基于分布式网络的分布式系统每个子系统都是网络中的一个节点。模块化分布式控制系统的各个子系统的结构功能完全相同，因此在进行系统硬件设计时只需要设计出一个子系统即只需要为一个模块设计出硬件电路即可，多个相同的子系统通过网络总线连接起来就构成了完整的控制系统。控制中心使用ARM系列的STM32微处理器作为主控制芯片，它完成机器人的定位导航及其他决策任务。控制中心通过RS485接口接收编码器的信息并计算处理，其结果可以用来作为定位导航的基础。同时，它收集每个传感器的信息以及其他机器人的信息，并通过适当的控制算法决策后经RS485接口传给执行机构执行。第10页第3.4节机械结构设计方案本项目设计的多变魔方机器人的模块为一个可以自由组合的的等高锥体，实物如图3-4所示。每个模块上嵌人有自由度结构、连接机构、传感器单元、通信接口、电源和控制系统电路板。为了减轻模块重量，模块尽可能采用小型化设计，这样势必要求控制系统硬件设计也要小型化，因此选择器件时要本着小型化的原则。图3-4单个模块实物图考虑到模块的供电和小直流电机的最大输出力矩等因素，故只设计了两个个自由度，由一个经过等高锥体侧面的中点得到，这大大减小了模块的功耗和结构复杂程度。这个自由度由步进电机来实现，其中舵机的旋转轴在小等高锥体的中心，并在小等高锥体的下半部分安装一个位置传感器，根据位置传感器测得的信号来确定转动位置8。图3-5多变魔方机器人的仿真图第3.5节传感的的选择传感器选这款如图3-6所示GY-85的九轴自由度IMU传感器，具有三轴陀螺仪+三轴加速度+三轴磁场的传感器。传感器参数：（1）九轴模块(三轴陀螺仪+三轴加速度+三轴磁场)第11页（2）使用芯片：ITG3205+ADXL345+HMC5883L（3）供电电源：3-5v（4）通信方式：IIC通信协议(完全兼容3-5v系统,含LLC电路)（5）板子尺寸：2.2cm*1.7cm图3-6GY-85九轴自由度IMU传感器经过测试，该传感器，有良好的工作特性，测试数据较准确，符合要求，测试过程截图如图3-7。图3-7GY-85测试过程第3.6节通信系统多变魔方机器人采用的通信接口为I2C总线，I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。I2C（InterIntegratedCircuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL，结构如图3-9所示。第12页图3-9I2C总线结构图I2C总线支持任何IC生产过程(CMOS、双极性）。通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器MCU、LCD驱动器、存储器或键盘接口），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。LCD驱动器只能作为接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机（见表1）。主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。此时，任何被寻址的器件都被认为是从机。每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。第13页第4章多变魔方机器人控制系统设计第4.1节控制系统分析4.1.1.机器人功能分析设计模块化机器人的目标是为了能让机器人根据外界环境的变化而改变自身的形态以及步态，使之能适应复杂(特别是未知)的地理环境，提高机器人的生存能力。可重构模块化机器人是在模块化机器人研究基础上的升级，它除了能实现般机器人功能外，还要能实现与不同模块的重构。这也是它与一般机器人的本质区别所在，也是它静优越性所在，也是它具备多功能、适应环境能力强的坚实基础所在。对于机器入来说，它实现形态重构豹基础是：橇器入摸块的重构，也即机器人模块化对接与脱开。因此要能是实现模块化机器人的设计初衷，机器人系统应该具备以下几个基础功能。l、对外部环境的感知能力。这是机器人进行形态重构的依据。它要能探测出外界环境中的地面质地、障碍等情况，然后根据具体情况重构成合适的形态以及选择相应的步态进行移动。2、模块化对接与脱开能力。这是机器入重构的祝构熊力基础。祝器人的形态重构是逶过机器人孛众多模块闻的对揍和脱开来完成的。3、强大的步态及路径规划能力。机器人要能按不同的步态行走，能根据环境的具体情况选择相应的步态，则要求机器人要有良好的步态规划能力。另外，在进行形态重构时，每次的模块对接都必需要求机器人规划出一条合理的对接路径。以上这些基础功能是要通过一个强大的控制系统来实现的，它们是模块化手动可重构机器入所不具备的，其控制系统也无法提供这些功能，因此要求对杌器入控斜系统进行重新设计6。4.1.2.机器人系统对控制系统的要求可重构模块化枧器人要求能支持模块的独立性、可替代性和开放性。根据上小节对可重构机器人功能的分析，控制系统除了要具有模块化机器人控制系统的基本功能外，还必须要拥有以下几个功能。1、强大的信号采集能力。机器人对外界环境的感知以及对接时模块间距离的探测，都是通过相应的传感器来完成的，因此要求控制具有多路高速信号采集处理的能力。2、高速的处理能力。机器人要对多路传感器信号进行处理、进行自动对接时路径规划、进行移动时的步态规划以及模块运动的控制，因此要求控制系统要具有高速的处理能力。3、高度的实时性和并行性。机器人进行移动或进行自动重构时，都要求众多模块同时参与运动，因此要求控制系统能实时处理每个模块上的传感器信号以及实现对参与模第14页块的控制，并且要求这些工作是同时进行的。因此，要求控制系统要具有高度的实行性和并行性。4、高精度的控制能力。机器人进行自动重构，模块自动对接时，对模块运动的位置精度要求很高，因此要求控制系统具有高精度的控制能力。5、高性能而简洁的通信网络。由于机器人的运动是有多个模块运动的协调而成，系统要求能实现各个模块间的相互通信。因此要求控制系统有一个强大的通信网络。为保证模块对接的稳定以及降低对接精度的要求，要求模块间电气连接点应该尽可能的少，通信系统的构成要尽可能简单。4.1.3.机器人控制方式分类根据计算机的控制方式可分为三种9：1、集中式控制器用一台计算机实现机器人全部的控制功能。早期的机器人中基本上采用这种控制器，由于当时的计算机造价太高，机器人功能不多，它不但实现简单，而且也比较经济。但是，因控制过程中需要进行大量运算，如轨迹控制的插补计算、坐标变化等，这种控制方式显然己经不能满足当前工业机器人的控制需求。2、主从式控制器该类控制器是通过主、从两个CPU实现控制。主CPU用来担任系统管理、机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补等，并定时地把运算的结果作为关节运动的增量值送到公共内存，供从CPU读取。从CPU用于控制机器人所有关节的动作。在主从CPU之间除了公共内存交换数据外基本没有联系，这对采用更多微机进一步分散功能是很困难的。3、分布式控制器分布式控制器是采用多个微机分上下两级共同完成机器人的控制功能，是目前工业机器人普遍采用的控制器。上一级主机主要负责系统的管理、坐标的变换、生成轨迹的运算等。下一级则由多个微处理器组成，每一个微处理器负责一个关节的运动控制，它们分别接受上一级主控计算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，用以实时控制机器人各关节的运行。由于机器人的不同功能可由不同计算机同时完成，因而提高了工作速度和处理能力。分布式控制系统的基本构建思想是:系统中各子系统高度独立:系统中各子模块地位平等，但只要有需要每个子系统都可以成为整个系统支配者，它可以对其他子系统发号施令，但不具体干涉。模块化分布式控制系统结合二级CPU结构主从式控制方式、分布式系统的优点。从结构上说，它是一个完全分布式的结构，每个子系统都高度独立、功能完整:从功能上说，第15页在执行中的任何一个时候，它都是一个主从式的控制方式，整个系统或系统的一部分拥有一个主控子系统，系统根据需要动态的指定主控子系统(就是原先的主控子系统让出支配位置)。因此，对于任何一个子系统来说，除了控制自身所在模块外，它还用具有主控子系统的所有功能。在系统运行中，系统中只有一个子系统的主控功能开启，此时它处于双重身份状态(同时是支配者和普通被支配者)，而其它子系统主控功能关闭，只完成普通子系统的应有任务。与传统的控制系统相比，模块化分布式控制系统的突出特点是:模块化、高实时性、高并行性、可替代性、开放性及可扩展性。这些特点使模块化分布式控制系统在模块化机器人控制方面的应用有着传统控制系统所不能比拟的优越性。此外由于系统的模块化，每个子系统的负担较轻，对控制器的处理能力要求不高，因此可以采用比较廉价和性价比较高的控制处理器。另外，机器人系统升级、模块数量的扩展，并不要求更换控制处理器，这使得分布式控制系统体现出廉价性。第4.2节构建系统的总体框架模块的三个子控制板有三根信号线，分别是发送端、接收端和地线。子控制板的任务是处理外围设备，一块子控制板负责控制电机，采用PID控制、或者继电器控制，或者开环控制。另一块在主动模块上，负责驱动连接面上的连接钩子。被动模块上的子控制板用于三个被动连接面上连接的检测,对于模块与模块的通讯，系统采用I2C总线结构。此外，每个模块都有通讯模块，用于模块机器人与上位机ARM的通讯，模块化机器人是一种机构特点鲜明的机器人，分布式控制系统能充分发挥模块化机器人的特点和优越性，在模块化机器人控制应用上有着其他系统结构所不能比拟的优越性。可重构两种机器人都是由若干模块组成，它们都要能实现多种不同形态间的重构，并能按相应的步态进行移动。在进行控制系统构建时，每个子控制系统负责一个模块的控制，它与模块机构相结合，组成一个功能完整的功能模块，子系统间的通信网络通过模块上的电气接口相连。因此，在实际应用中，整个控制系统由各个模块上的子系统和通信网络构成。控制系统的设计将包含模块子系统和通信网络设计两部分。模块化分布式控制系统在结构上是一个完全对等的分布式结构，由于现在完全分布式的控制方法不成熟也很难实现，所以从功能上构建控制系统时，采用主从式的两层结构，控制系统在由一个主控子系统和若干个执行子系统组成。主控子系统的主要任务是系统管理、任务规划和分配，而每个模块上的执行子系统具体负责执行本模块的任务。其中系统管理也即整个控制系统的高层管理部分，它实时记录系统各个模块的相关信息(子系统状态、模块位置、运动速度等，并且能随时向任意一个模块子系统发送指令;任第16页务规划和分配主要有机器人的步态规划、模块对接的对接路径规划等。控制系统采用分布式结构，考虑到增大机器人系统的可扩展性，允许增加更多的机器人模块，网络总线选择了高性能的CAN总线。控制系统采用模块化分布式控制系统模型，它由若干功能相同的模块子系统通过网络总线构成，从结构上说，它是一个完全对等的分布式结构，在功能上说，它是一个主从式的两层结构，每一个模块子系统都拥有主控子系统和执行子系统双重功能。控制系统的整体功能都将由模块子系统来共同承担，因此根据以上对机器人功能以及它对控制系统要求的分析可知，它应该拥有系统管理、运动步态规划、对接路径规划等主控子系统的功能，还拥有属于执行子系统的控制算法计算、服驱动、电机精确位置控制、对外通信、信号采集、自动闭锁控制等功能。控制系统的整体控制流程如图4-1所示，主控子系统接到任务后进行任务规划，并且将任务分配给各模块执行子系统，同时它还记录各个模块基本信息和监视各个模块的执行状况。执行子系统接到指令及参数后，具体执行，并将本身的信息及执行结果反馈给主控子系统。图中虚箭头表示主控子系统和执行子系统间的通信。初始化系统初始化系统读取模块信息读取模块信息主控系统读取系统总任务读取系统总任务进行任务规划（对接、运动等）进行任务规划（对接、运动等）分配各模块子系统的任务分配各模块子系统的任务向模块发送任务命令和参数向模块发送任务命令和参数等待各模块的反馈信息等待各模块的反馈信息读取新任务或根据各模块的反馈信息决定下一步的任务读取新任务或根据各模块的反馈信息决定下一步的任务模块子控制系统初始化系统初始化系统向主控系统发送本模块基本信息向主控系统发送本模块基本信息等待执行命令执行命令执行命令执行完毕或失败均向主控系统反馈信息及结果执行完毕或失败均向主控系统反馈信息及结果图4-1控制系统的整体控制流程框图第17页第4.3节模块软件概述模块化分布式控制系统的各个子系统的功能是相同的，因此在进行软件设计时只要设计出一个子系统的软件即可，子系统的软件也是多变魔方机器人的模块的软件。它的模块的软件应该具有以下功能：(1)系统协调功能。多变魔方机器人是由众多的模块组成的一个整体，各个模块之间要相互协调才能保证机器人按要求完成某项任务。(2)计算和规划功能。多变魔方机器人在运动过程中以及自重组过程中需要进行运动规划、路径规划以及传感器算法计算等工作。(3)通信功能。作为机器人整体的组成部分，各个模块之间必须能够进行通信。(4)感知功能。各模块必须要能感知当前的状态，利用传感器采集数据。(5)连接功能。多变魔方机器人在形态变化和自组装时，需要进行模块间的连接与分离。(6)运动功能。模块能在平面上自主移动并且还有一个转动自由度：多变魔方机器人的运动是通过组成它的模块的运动实现的。软件设计就是为了使多变魔方机器人的模块具有以上功能，如果以后模块需要更多的功能，只要在此软件的基础上进行扩展即可。模块的软件功能结构图如图4-2所示。通信功能运动功能连接功能感知功能计算和规划功能系统协调功能其它模块图4-2模块软件功能结构图模块的软件控制流程采用中断驱动方式，主程序除了完成系统协调、计算和规划等工作之外，主要是处于循环等待状态来等待中断的发生。第4.4节系统控制软件设计由于模块结构的不完全对称性，模块的运动受到一定的限制，只能够在原位转动，不能改变空间位置，因此需要多个模块的协作才能实现空间重构运动，模块之间存在很第18页强的运动祸合，模块的运动不是一个完全局部的过程，无法进行分布式控制。为此，本文设计了集中式控制系统结构，整个系统由上位计算机、模块主CPU单元和模块从CPU单元构成，采用总线型网络结构，模块主CPU单元通过串行通讯接口与上位机连接。模块单元由于需要完成运动驱动、通讯、传感等多种功能，硬件结构比较复杂，微控制器通过串行通讯接口进行模块间的局部通讯，完成模块信息的采集，或者接收上位机的控制指令，驱动电机及连接机构动作，实现转动与连接/断开操作，并且向上位机反馈自身状态及传感器信息。为了有效地获取模块之间的局部连接状态信息，只依靠集中式通讯方式无法完成，因此，本文提出了分布式通讯与集中式通讯相结合的方法，在分布式阶段，用于串行通讯的四个触点可以分别进行局部通讯，采集模块的连接及相对方位信息，然后，切换到集中式通讯方式，上位机自动获得所有模块的状态信息。由于所有的模块运动都由上位机进行决策，有助于降低单个模块控制系统的硬件要求，提高规划效率。4.4.1.数据包控制格式定义在本系统中，根据机器人的不同功能，设置了多种不同的数据包格式，如图4-3所示。其中，模块运动控制数据包是上位机向模块发送的运动控制指令、模块状态信息采集指令、连续运动及单步运动指令、电机自锁及随动控制指令等；参数字包括电机的位置参数等。同步运动控制数据包的超模块地址代表所有的模块地址，命令字表示模块可以立即执行相应的动作。模块确认信息数据包是模块单元收到上位机控制指令后返回的信息，包括正确信息、错误信息以及模块不存在的判断信息。模块单元确认信息数据包是向中继单元发送的指令接收确认信息，包括接收正确和错误两种类型。模块单元状态信息数据包是上位机发送的模块自身状态信息，包括转动角度、连接方位及连接关系等。模块单元分布式通讯数据包是指在分布式通讯阶段，模块之间通讯的数据包格式。第19页命令字命令字参数字参数字校验码校验码模块地址模块地址1）模块运动控制数据包超模块地址超模块地址命令字命令字2）同步运动控制数据包确认信息确认信息3）确认信息数据包主控单元地址主控单元地址确认信息确认信息4）模块单元确认信息数据包模块地址模块地址模块状态信息模块状态信息校验码校验码5）模块单元分布式通讯数据包主控单元地址主控单元地址模块地址模块地址模块状态信息模块状态信息校验码校验码图4-3模块单元信息数据包4.4.2.上位机软件设计上位机ARM的主要功能是完成对机器人所有模块的状态信息的采集、识别和重建，并在此基础上进行自重构及运动规划，输出相应的控制指令。根据运动类型不同，控制指令分为单步控制和同步控制两类。上位机通讯软件的运动过程如下:对端口进行初始化设置后，开始发送数据包到模块的主控单元，如果是模块运动控制数据包，则延时一定时间，等待主控单元返回确认信息，如果返回了错误的确认信息，则重新发送数据包，如果确认信息正确就发送下一条控制指令，如果接收到模块单元不存在的判断信息，则记录该模块不存在，然后发送下一条控制指令;如果数据包内的命令字是模块状态信息采集指令，则在受到模块返回的确认信息之后，继续接收主控单元返回的模块状态信息，之后发送下一条控制指令:如果是同步运动控制数据包，则发送完毕之后，等待接收主控单元返回的正确确认信息，延时等待模块执行完毕后，再发送一下条控制指令。流程图如4-4所示。第20页开始开始初始化初始化发送数据包发送数据包模块运动控制数据包模块运动控制数据包延时等待模块确认信息延时等待模块确认信息Yes信息正确？信息正确？延时等待模块确认信息延时等待模块确认信息Yes命令字是否信息采集指令命令字是否信息采集指令延时等待模块单元的状态信息延时等待模块单元的状态信息Yes同步运动控制数据包同步运动控制数据包No报错报错No延时等待模块确认信息延时等待模块确认信息Yes延时等待特定的时间延时等待特定的时间重新发送该数据包重新发送该数据包信息错误？信息错误？NoNo判断信息？判断信息？Yes报错报错该模块不存在该模块不存在NoYesNo图4-4上位机软件流程图4.4.3.模块主控单元软件设计主控单元主要实现上位机与各模块子控制单元之间的信息传递功能，通过主控单元，来自上位机的信息可以发送到模块子控制单元，而模块子控制单元的确认信息和状态信息则返回到上位机。模块的主控单元在初始化之后，等待接收上位机发送的数据包，如果是模块运动数据包，首先进行校验，如果错误，则返回错误信息，等待上位机重发，如果正确，则向上位机返回正确的确认信息，然后切换到一线式通讯方式，向所有模块单元广播发送该数据包，延时等待来自模块单元的确认信息，如果模块返回错误确认信息，则重新向模块单元发送该指令，如果模块返回正确的确认信息，则主控模块向上位机返回该确认信息，准备接收下一条控制指令，如果在给定时间内没有收到模块单元返回的确认信息，则表明该模块不存在，向上位机返回相应判断信息，然后接收下一条控制指令；如果数据包的命令字为数据采集指令，则在向上位机返回确认信息之后，继续等待接收到的数据包为同步运动控制数据包，则主控单元向模块单元广播该指令，然后第21页向上位机返回正确确认信息，准备接收下一条指令。第22页第5章多变魔方机器人系统协调第5.1节模块机器人构型组合设计当前，对于模块机器人的研究变得日渐活跃，基本功能的研究范围拓展到运动规划。模块机器人平台应该具有机械机构、电子硬件和软件上的可扩展性。为了在人类世界推广模块机器人，人们希望像组装他们的个人电脑一样，可重组仿人机器人以适应他们的需要。本章描述了可重构模块化在构建魔方机器人方面的应用。我们的目标是设计可重构机构以满足不同方面的需求。我们将模块化机器人的概念应用到魔方机器人领域，设计出魔方机器人系统。可重构模块化魔方机器人与传统的机器人最大的区别在于：我们的魔方机器人包含几个功能独立的模块机器人，每个模块机器人具有独自的机械部分、电气部分和软件部分，并且既能够作为机器人一部分动作又可以作为自治机器人。可以通过组合几个模块机器人自由的根据需要构建不同构型的魔方机器人。他们也可以根据研究和使用的需要替换和升级魔方机器人的功能模块和组合。大多数研究导向的魔方机器人可以归为集中控制系统。集中控制统具有高性能的PCIAT计算机安装在躯干上，所有的装置都于这台计算机相连接。这种方法的优点是硬件和软件设计简单。然而，集中式方法不适合于当许多传感器和执行机构物理上分散时候的机器人。信号线和电气线通过接口连接到各个模块上。当增加新装置和模块的时候，所有的连线需要重新布置，这需要很多的时间。连接在机器人上的装置的数目受限于处理器的接口的数目。主机通过RS485总线与它们连接，内嵌在躯体里的主机控制整个主体运动，每个模块控制底层执行机构。尽管这种系统的机械结构具有很好的扩展性，但是这种方案可能不奏效，因为没有主机的情况下每个模块不能自治动作。我们提出了一种可重构模块化魔方机器人模型，整体机器人主要由前述的可重构机器人模块构成。模块化机器人设计需要考虑模块之间的间隔尺寸。一般而言，包含异质模块的模块机器人不具有很好的可扩展性。在仿人机器人领域研究诸如操作机构的基本模块和行走算法比较活跃。因此，我们设计一种功能模块机器人作为一个模块。第5.2节机器人构形的确定机器人的自重构规划首先需要对构形中模块空间位置和方位以及模块之间的连接关系进行数学描述，即构形表达。为了能够清楚完备地表示机器人构形中模块的空间位置及方向，需要进行如下工作。第23页图5-1模块单元坐标系首先，为了能够唯一的表示模块的各组成部件，将模块编号为i(i=1,2,.N)，将模块的两个半块编号为和，并对模块的六个连接面也分布编号为aPb，然后建立全局坐标系，并选取一个半块如作为模块的局32b1321aafff、oaP部参考基准，在模块的几何中心建立局部坐标系，如图21所示。由于和的结构ib相同，为参考基准的局部坐标系与的坐标系关系可以通过模块的转角唯一确定，bPa此外，模块的连接面分别与两个半块之间的相对方位关系也是固定不变的，因此，只需建立一个局部坐标系结合转角即可i以完备的表示