模塊化機(jī)器人開題報告

1、北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目： 輪式與履帶式教學(xué)機(jī)器人的模塊化設(shè)計 學(xué)院： 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 文獻(xiàn)綜述：1.1發(fā)展背景： 從理論上來講，機(jī)器人是一種柔性設(shè)備，它能通過編程來適應(yīng)新的工作，然而實(shí)際應(yīng)用中很少使用這種情況但傳統(tǒng)的機(jī)器人都是根據(jù)特定的應(yīng)用范圍來開發(fā)的，雖然對那些任務(wù)明確的工業(yè)應(yīng)用來講，這種機(jī)器人已經(jīng)足夠滿足實(shí)際需要了，然而由于市場全球化的競爭，機(jī)器人的應(yīng)用范圍要求越來越廣，而每種機(jī)器人的構(gòu)形僅能適應(yīng)一定的有限范圍。隨著機(jī)器人應(yīng)用在廣度和深度上的發(fā)展，人們希望在簡化機(jī)器人設(shè)計、減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件和降低機(jī)器人成本的同時，增強(qiáng)

2、機(jī)器人系統(tǒng)性能，增加機(jī)器人功能和結(jié)構(gòu)的多樣性，所以在機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域出現(xiàn)了可重構(gòu)機(jī)器人的研究?？芍貥?gòu)機(jī)器人是由功能簡單而具有一定感知能力的模塊化機(jī)器人有機(jī)連接而成。通常由一套具有不同尺寸和性能特征的模塊組成，通過這些模塊能快速裝配出最適用于完成給定任務(wù)的機(jī)器人，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和工作任務(wù)的要求。這種組合并非簡單的機(jī)械組合，還包括控制系統(tǒng)的重組。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀：國外的第一臺可重構(gòu)機(jī)器人樣機(jī)誕生于1988 年, 它是由美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制的可重構(gòu)模塊化機(jī)械手系統(tǒng)( RMMS) .RMMS 不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的重構(gòu), 而且從電子硬件、控制算法、軟件等方面實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu), 在RMMS

3、 的基礎(chǔ)上Khosla 等又做了進(jìn)一步的研究工作. 通過對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件算法、通信系統(tǒng)等方面的改進(jìn), 于1996 年研制出了新型RMMS . 1988 年Fukuda 等從概念的角度提出了動力可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)( DRRS) . DRRS 有許多具有基本機(jī)械功能的智能細(xì)胞組成, 每個細(xì)胞能根據(jù)任務(wù)自動地與其他細(xì)胞分離、組合, 構(gòu)成機(jī)械手或移動機(jī)器人, 給予系統(tǒng)能自修理。1990 年在日本名古屋大學(xué), Fukuda 等又研制出細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)( CEBOT ) . CEBOT 是一種分布式機(jī)器人系統(tǒng), 它根據(jù)環(huán)境的變化動態(tài)地重新配置結(jié)構(gòu), 從而達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu). 其他學(xué)者還對這種體系做了進(jìn)一步的研

4、究.1994 年美國Johns Hopkins 大學(xué)的Gregory提出了變形機(jī)器人系統(tǒng). 該系統(tǒng)雖然也是由許多模塊組成的, 但是其變形是在組成系統(tǒng)的模塊保持連接后進(jìn)行的, 并且能夠自重構(gòu) . 1994 年日本的Murate 等提出并研制出了一種由多個可重構(gòu)的裝置組成的自動安裝機(jī)械系統(tǒng), 它具有對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、容錯的特點(diǎn). 1999 年, Murate 使用形狀記憶合金研制出了自重構(gòu)系統(tǒng); 1998 年美國的Kotay 等提出了由機(jī)器人分子組成的可自重構(gòu)機(jī)器人, 這種機(jī)器人能自動地重構(gòu)成各種最佳形狀, 以適應(yīng)不同環(huán)境. 1999 年Doniela 和Rus 等又提出了一種由晶體結(jié)構(gòu)分子組成的

5、可自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng), 晶體結(jié)構(gòu)分子通過擴(kuò)張和收縮, 進(jìn)行相對于其他分子的運(yùn)動 .美國加州大學(xué)的CONRO 項目提出的分布控制機(jī)理來控制自重組步態(tài), 為解決機(jī)器人的控制和自重構(gòu)模塊之間適應(yīng)性交流以及多模塊之間的協(xié)同, 使有計算能力的個體模塊能得到相鄰模塊布局的局部信息, 提出用一些觸發(fā)信號Hormones來協(xié)調(diào)運(yùn)動。在應(yīng)用上, 機(jī)器人模塊向小型化方向發(fā)展, 在某些領(lǐng)域小型機(jī)器人將會取代體積更大、價格很高的機(jī)器人. 美國麻省理工學(xué)院的機(jī)器人專家受Rodeny 和Brooks 工作的啟示發(fā)明了一種高爾夫球大小的機(jī)器人. 該機(jī)器人可以按照類似螞蟻一樣的方式搜尋食物, 相互間通過簡單的光傳感器進(jìn)行聯(lián)系,

6、 并集體做出決策. 在Rodney 和Brooks提出的基于行為控制的算法中, 每臺機(jī)器人對本地刺激做出反應(yīng). 在這里沒有中心計劃, 沒有主機(jī)器人, 機(jī)器人團(tuán)隊的能力表現(xiàn)為眾多機(jī)器人模塊互相合作的結(jié)果. 如在常規(guī)情況下每個機(jī)器人模塊可以獨(dú)立地完成任務(wù), 但遇到障礙時, 他們可以組成一支蛇形機(jī)器人, 以便通過障礙. 另外, 各模塊功能也可以不相同, 以任務(wù)驅(qū)動進(jìn)行合理的組合, 以完成任務(wù).我國在可重構(gòu)移動機(jī)器人方面也做了一些研究. 在自組織變形機(jī)器人方面, 我國的仿蛇、仿魚機(jī)器人也取得了一定的成績, 但就研究水平來講我國對可重構(gòu)機(jī)器人特別是自重構(gòu)機(jī)器人的研究還處于初級階段.1.3研究內(nèi)容：可重構(gòu)

7、模塊化機(jī)器人的研究內(nèi)容十分廣泛，包括借口機(jī)構(gòu)研究、硬件結(jié)構(gòu)研究和軟件模塊化研究等。（1）接口機(jī)構(gòu)研究包括連接機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、電氣機(jī)構(gòu)和殼體設(shè)計。（2）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計包括功能模塊、微控制器、控制總線結(jié)構(gòu)、通用移動平臺和各種傳感器模塊的設(shè)計。（3）軟件模塊化研究包括可重構(gòu)軟件設(shè)計、開放式機(jī)器人構(gòu)件、通信系統(tǒng)機(jī)制以及功能身份信息的識別。為了滿足可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的功能，通常其模塊的劃分應(yīng)符合幾條基本原則：每個模塊單元在功能上應(yīng)具有獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)某一特定的功能；每個模塊單元與其他單元之間的連接應(yīng)盡可能的簡單，機(jī)械接口連接應(yīng)方便、快捷、可靠； 每個模塊在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)上應(yīng)具有相對的獨(dú)立性 可重構(gòu)模塊化機(jī)器人

8、構(gòu)形設(shè)計的方法主要考慮以下三個問題：首先要確定構(gòu)形的表達(dá)方法；其次就是確定構(gòu)形的評價標(biāo)準(zhǔn)；最后采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法確定滿足給定任務(wù)的最優(yōu)構(gòu)形1.4當(dāng)前問題：目前，國內(nèi)外眾多的科研機(jī)構(gòu)、公司都投入到模塊化機(jī)器人的研究、設(shè)計、制造當(dāng)中但現(xiàn)有的模塊化機(jī)器人平臺或多或少存在以下缺陷：(1)模塊類型單一，能夠搭建的機(jī)器人系統(tǒng)少；(2)模塊的價格昂貴；(3)主動模塊的輸出力矩小，系統(tǒng)的性能不高；(4)沒有完全實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的模塊化以及硬件模塊與軟件模塊的對應(yīng).。1.5發(fā)展方向：目前, 模塊化可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的研究得到了廣泛的重視, 主要集中在以下幾個方面: a. 模塊所具有的功能和結(jié)構(gòu). 主要研究構(gòu)成機(jī)器人

9、各模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能. 對于同構(gòu)系統(tǒng)可重構(gòu)機(jī)器人主要研究模塊間的自主連接及分離能力;各模塊的動力及信息輸入與輸出能力; 模塊關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力等. 對于異構(gòu)系統(tǒng)可重構(gòu)機(jī)器人主要研究因受目標(biāo)結(jié)構(gòu)的限定對各模塊的功能如何劃分. b. 目標(biāo)結(jié)構(gòu)的描述與形成. 主要研究內(nèi)容有目標(biāo)結(jié)構(gòu)的描述與形成、多目標(biāo)結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)換以及非目標(biāo)結(jié)構(gòu)的形成. 目前對于模塊數(shù)量限、目標(biāo)結(jié)構(gòu)明確的可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的目標(biāo)結(jié)構(gòu)的描述與形成已取得一些成果, 但對于多目標(biāo)機(jī)構(gòu)間的轉(zhuǎn)換算法、變形方式及模塊間的變形次序和根據(jù)不可預(yù)知的環(huán)境和工作來形成新的目標(biāo)結(jié)構(gòu)相關(guān)的變形理、變形規(guī)則、約束規(guī)則算法的研究還沒有取得重大進(jìn)展. c. 運(yùn)動學(xué)

10、規(guī)律的研究. 目前在二維空間對于模塊化可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)通常不考慮重力及慣性力的影響, 但在三維空間和變形速度較快時則必須考慮重力及慣性力對系統(tǒng)的影響. d. 信息的獲取和處理. 包括各模塊的自身所需信息如何獲取, 重構(gòu)后各模塊的信息如何重構(gòu)特別是重構(gòu)后發(fā)生相互干涉的信息如何理.可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)的研究已經(jīng)引起了許多研究者的注意，目前仍需進(jìn)一步研究的內(nèi)容主要在以下幾個方面：（1）可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)中模塊的功能設(shè)計及實(shí)現(xiàn)方法包括機(jī)器人的功能分析和功能的分配，模塊的軟、硬件功能分析，模塊描述方法的研究，軟、硬件模塊的設(shè)計，軟、硬件模塊自動或快速連接方法的研究（2）可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計

11、包括機(jī)器人所需完成任務(wù)描述方法的研究，機(jī)器人構(gòu)形表達(dá)方法的研究，機(jī)器人最優(yōu)構(gòu)形生成方法的研究（3）可重構(gòu)模塊化機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究應(yīng)主要考慮軟件的可重構(gòu)性包括模塊運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的分析方法，分布式模塊機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析方法的研究（4）研究適用于可重構(gòu)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)的可重構(gòu)實(shí)時控制軟件包括機(jī)器人控制模塊的功能分析和劃分方法的研究，軟件重構(gòu)方法的研究主要參考文獻(xiàn)：【1】 司震鵬，曹西京，姜小放. 4自由度模塊化機(jī)器人的設(shè)計 輕工機(jī)械 2009,08 【2】 王兵，蔣蓁模塊化重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展綜述J機(jī)電工程，2008，25(5)：1-4【3】 徐超. 可重構(gòu)機(jī)器人研究的現(xiàn)狀和展望

12、 華中科技大學(xué)學(xué)報 2004.10【4】 周學(xué)峰，江勵，朱海飛，蔡傳武，管貽生，張憲民.一個模塊化機(jī)器人平臺的設(shè)計. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,04【5】 周強(qiáng)強(qiáng)，關(guān)勝曉.可重夠模塊化機(jī)器人研究.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2008，09.【6】 張玉華，趙杰，張亮，齊立哲，蔡鶴皋.新型模塊化可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng).機(jī)械工程學(xué)報，2006，05.【7】 費(fèi)燕瓊，董慶雷，趙錫芳.自重構(gòu)模塊化機(jī)器人的結(jié)構(gòu).上海交通大學(xué)學(xué)報，2005，06.【8】 費(fèi)燕瓊,張鑫,夏振興.自重構(gòu)模塊化機(jī)器人的運(yùn)動空間及自變形算法.機(jī)械工程學(xué)報,2009,03.【9】 劉明堯,談大龍,李斌 .可重構(gòu)模塊化機(jī)器人現(xiàn)狀和發(fā)展

13、.機(jī)器人ROBOT ,2001,03.【10】 李樹軍,張艷麗,趙明揚(yáng).可重構(gòu)模塊化機(jī)器人模塊及構(gòu)形設(shè)計.東北大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2004,01.【11】 王永甲. 可重構(gòu)模塊化機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計理論與運(yùn)動學(xué)研究. 機(jī)械設(shè)計及理論, 20080526.【12】 張壇,楊國勝,錢志勤.章文俊基于模塊化機(jī)器人原理的動態(tài)雕塑品.機(jī)械設(shè)計與研究,2009,10.【13】 石 磊,許明恒,鄧維鑫,劉 波.PowerCube模塊化機(jī)器人工作空間計算中國工程機(jī)械學(xué)報,2011,03.【14】 費(fèi)燕瓊,王 永,宋立博,王洪光.網(wǎng)格型自重構(gòu)模塊化機(jī)器人的對接過程.機(jī)械工程學(xué)報,2011.04.研究方案：1查閱

14、大量資料了解有關(guān)模塊化機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。2進(jìn)行輪式模塊化機(jī)器人的總體機(jī)械布置的分析和設(shè)計。該平臺將包括各種不同的模塊，根本實(shí)際要求構(gòu)造機(jī)器人。3對輪式模塊化機(jī)器人進(jìn)行分模塊的設(shè)計。設(shè)計出機(jī)器人的不同模塊，每種模塊包括一系列大小和性能不同的子模塊。包括車輪模塊，底盤模塊，連接模塊，舵機(jī)模塊以及功能模塊。根據(jù)不同的場景和需求搭配出不同的機(jī)器人。4 進(jìn)行履帶式模塊化機(jī)器人的總體機(jī)械布置的分析和設(shè)計。該機(jī)器人平臺將由多種節(jié)式模塊和連接模塊構(gòu)成。5 對履帶式模塊化機(jī)器人進(jìn)行分模塊的設(shè)計。設(shè)計出機(jī)器人的不同模塊，每種模塊包括一系列大小和性能不同的子模塊。包括履帶節(jié)模塊、連接模塊和功能模塊。6預(yù)期成果：完成一套模塊化機(jī)器人的完整設(shè)計。包括真題框架設(shè)計和每個模塊的各