智能魔尺控制系统设计-文献综述

苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第1页开题报告（文献综述）1.引言在航天航空、星际探索、地质勘查、地质灾害预报、军事侦察、救灾抢险等领域，因为不能预先确知非结构化的环境，需要执行的任务往往也是变化莫测。因此传统的机器人设计和控制方法已经难以满足机器人在非结构的、未知的环境下自主工作的要求。模块化可重构机器人的拓扑形态是自主可变的，系统可以根据所处的环境通过组成模块之间的自主对接和分离实现整体或局部形态的改变，来调整其构形和功能，从而完成既定的任务，故能广泛应用于非结构化的环境。这样就对其控制系统提出了人工智能的更高要求，这也是当今机器人研究界最热门和尖端的研究方向之一1。在分析了国内外机器人研究现状的基础上，本文概念性地设计了匹种基本模块：旋转模块、控制模块、通信模块和连接模块。并采用减速齿轮减速机构作大传动机构，设计了一种机器人控制系统。构型数学表达是构型优化的基础，本文提出了一种基于关联矩阵的构型表达方法，该矩阵能够表达出一个构型的所有信息，并且与构型一一对应。构型设计是多变魔尺机器人设计的核心内容，本文建立了构型设计的优化模型，量化了运动学评价指标在构型优化中采用了遗传算法，通过实例计算，验证了该构型设计方法的有效性14。2.系统框架2.1.单元模块设计多变魔方机器人由nxn个相同的小模块机器人组成，如图2-2-1所示为多变魔方机器人的最小组合，其中每个小方块代表一个具有完全相同结构的模块机器人。机器人控制系统能够根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定的动作或作业任务，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。传统机器人控制系统有集中式、主从式、分散式三类控制方式。但它们都不太适合作为多变魔方机器人的控制系统，因为多变魔方机器人有着棋块化，可重组的鲜明特点。为了能够充分发挥多变魔方机器人的特点，有必要为它设计适合其特点的控制系统。苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第2页图2-2-1模块结构示意图组成多变魔方机器人的模块数量较多，而且每个模块都有数据采集、运动规划、运动控制以及通信等功能。为了能够充分发挥多变魔方机器人的特点，故采用模块化分布式控制系统。模块化分布式控制系统由若干个子系统构成，子系统的个数与多变魔方机器人中模块的个数相同，子系统与模块一一对应3。每个子系统的结构功能都相同，它是一个独立的单元，拥有电源、微处理器、移动结构、连接结构、自由度结构、传感器单元和通信接口等。子系统除了控制与它对应的模块之外，还要负责整个系统的协调以及计算和规划等工作。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，而且可以扩展。2.2.系统结构根据魔尺机器人的特点，我们采用IIC总线技术设计了魔尺机器人控制系统，如图2-2-2所示。控制系统中上层是监控系统，通过无线通讯与机器人控制系统相联，发送改变蛇的运动状态的指令，如蜿蜒、侧移、翻滚，前进、后退等控制命令.机器人的控制系统通过CAN总线将各个分散的执行单元连接起来，使系统的可扩展性能大大提高，同时CAN总线能够满足蛇形机器人实时性的需求。IIC总线苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第3页图2-2-2魔尺机器人控制系统结构3.系统总体设计本论文的设计的控制系统由5个部分组成如图3-1-1。由电子罗盘和加速度计组成的检查模块将单个魔方模块的位置信息，通过IIC总线传输回控制器Open103Z开发板(主控芯片为STM32F103)，主控器将位置信息运算得到坐标和角度信息，送入显示/触摸模块TFTLCD进行显示。在显示/触摸模块上选择图像信息，主控器将图形信息转换为坐标与传感器检测到的坐标信息进行对比，对比采用一种认为设定规则。如果检测信息和设定信息规则相符，则电机不动；如果不相符，主控器即发送电机转动信号使魔方模块的电机转动，并实时对比检测信号和设定信号，直到符合规则为止。参考文献6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。Open103Z（STM32F103）主控器模块TFTLCD显示/触摸模块步进电机控制模块电子罗盘/加速度计检测模块步进电机图3-1-1硬件结构图4.总结本设计是一种新型的智能魔尺，并着重介绍了其控制系统的设计。智能魔尺具备魔尺的功能，其每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔尺结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形。智能魔尺选用控制功能强大的ARM芯片和高靠九轴传感芯片，形成闭环回路控制，应用IIC总线网络通信构建了模块化分布式控制系统，有效地实苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第4页现了魔尺的运动控制。变魔方机器人平台设计，一种新型的单转动自由度均一阵列式的三维机器人模块，该模块兼具阵列式和串联式机器人系统的优点，通用性高，结构简单，控制容易。设计了均一式平面连接机构和电气连接部件：建立了集中式控制系统结构，结合分布式通讯方式实现了机器人构形信息的自动采集。参考文献1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):101-103.2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):1-4.3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):42-44.4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,2008.5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,2008.6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):126-135.7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):35-37.8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):491-494.9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):5701-5703.10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):244-247.11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):1707-1711.12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,2008,24(9)