可重構(gòu)模塊化機(jī)器人共38張幻燈片

1、可重構(gòu)模塊化機(jī)器人目錄 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人 可重構(gòu)模塊化機(jī)器人國外發(fā)展現(xiàn)狀可重構(gòu)模塊化機(jī)器人國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀可重構(gòu)模塊化機(jī)器人特點(diǎn)模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器人關(guān)節(jié)集成組件軟硬件體系結(jié)構(gòu)基于多Agent的分布式控制方法多機(jī)器人系統(tǒng)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人主要研究內(nèi)容工業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展趨勢第一階段：示教再現(xiàn)型機(jī)器人示教再現(xiàn)型機(jī)器人，主要由機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)控制器和示教盒組成。由運(yùn)動(dòng)控制器解析執(zhí)行示教程序，實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作。操作過程不具反饋能力。Unimate工業(yè)機(jī)器人和Versatra：最早的、最著名的、至今仍在應(yīng)用。第二階段：離線編程機(jī)器人機(jī)器人編程系統(tǒng)是采用離線式計(jì)算機(jī)實(shí)體模

2、型仿真技術(shù)，建立實(shí)體模型，采用實(shí)際的正逆解算法在離線的情況路徑規(guī)劃，編程三維動(dòng)畫仿真，檢驗(yàn)正確性，代碼傳遞給控制柜，運(yùn)動(dòng)控制。FANUC離線編工具ROBOGUIDEABB機(jī)器人離線編程與仿真軟件RobotStudio第三階段：智能機(jī)器人不但攜帶各種傳感器，具有對外界環(huán)境的感知能力，而且具備一定程度的獨(dú)立判斷、記憶推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對象、環(huán)境的變化，完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。安川DX100控制系統(tǒng)可同步控制8個(gè)工業(yè)機(jī)器人ABB的機(jī)器人智能3D視覺系統(tǒng)通過視覺系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人SCARA型工業(yè)機(jī)器人垂直關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人是基于給定工作任務(wù)設(shè)計(jì)的SCARA型工業(yè)機(jī)器人主要用

3、于高精密的水平作業(yè)垂直關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人可繞軸線俯仰擺動(dòng),可繞軸線旋轉(zhuǎn)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)造型一經(jīng)設(shè)計(jì)就不可改變,在工作環(huán)境和給定任務(wù)發(fā)生改變的情況下, 固定構(gòu)型顯現(xiàn)出了很大的局限性。解決方法模塊化可重構(gòu)機(jī)器人(Modular reconfigurable robot, MRR)模塊化可重構(gòu)機(jī)器人MRR由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定裝配結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊、末端執(zhí)行器模塊以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、控制、通信模塊等以搭積木的方式構(gòu)成。靜態(tài)可重構(gòu)機(jī)器人動(dòng)態(tài)可重構(gòu)機(jī)器人國外可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀構(gòu)型數(shù)量少，自重大國外可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀國外可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀國外可重

4、構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀A(yù)MTEC公司生產(chǎn)的PowerCube模塊及應(yīng)用實(shí)例由PowerCube模塊構(gòu)成的6自由度構(gòu)型的三種形式早期模塊關(guān)節(jié)方形，有多個(gè)表面可連接，構(gòu)型靈活，剛度精度不足國外可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀美國的Robotics Research 公司設(shè)計(jì)了系列化的關(guān)節(jié)模塊，可組裝成不同尺寸，不同載荷的7-DOF靈巧機(jī)器人臂。系統(tǒng)模塊分為側(cè)滾和俯仰和末端帶執(zhí)行器機(jī)械接口的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。國外可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀國內(nèi)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊在模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解生成和動(dòng)力學(xué)生成等方面做了研究清華大學(xué)的鄭浩峻，汪勁松等將可重構(gòu)單元?jiǎng)澐譃閿[動(dòng)單元、旋轉(zhuǎn)單元和輔

5、助單元三類，利用組合數(shù)學(xué)理論對其組合裝配特性進(jìn)行了分析中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的劉明堯，李斌等研究了基于多Agent可重構(gòu)機(jī)器人的控制方法，將關(guān)節(jié)機(jī)器人的復(fù)雜控制轉(zhuǎn)換為多個(gè)簡單子系統(tǒng)的控制東北大學(xué)的李樹軍、張艷麗等對可重構(gòu)模塊化機(jī)器人模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并歸納設(shè)計(jì)出3 種1 自由度的關(guān)節(jié)模塊，2 種連桿模塊和2 種輔助模塊共7 種功能模塊北京郵電大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)利用PowerCube模塊，進(jìn)行了可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的研究中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所基于可重構(gòu)思想設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)星球探測機(jī)器人系統(tǒng)(Reconfigurable planetary robot system, RPRS)，還提出了

6、一種模塊可重構(gòu)、自動(dòng)變形的鏈?zhǔn)娇芍貥?gòu)模塊機(jī)器人平臺(tái)北京航空航天大學(xué)開發(fā)了用于完成復(fù)雜地形偵察作業(yè)的可重構(gòu)履帶機(jī)器人，研究了模塊化的機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)和控制方法實(shí)現(xiàn)，采用實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式控制國內(nèi)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀國內(nèi)代表性商業(yè)產(chǎn)品：上海未來伙伴機(jī)器人有限公司的模塊化機(jī)械臂，設(shè)計(jì)基于SCHUNK的PowerCube。上海英集斯自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的模塊化機(jī)械手臂。上海廣茂達(dá)公司研制的AS一MRobotE系列模塊化機(jī)器人產(chǎn)品基礎(chǔ)單元模塊末端件模塊連桿模塊關(guān)節(jié)模塊國內(nèi)可重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究現(xiàn)狀上海英集斯上海未來伙伴機(jī)器人較好開放性，精度、剛度不足，電纜外走線較高剛度，模塊化與重構(gòu)思想不

7、徹底模塊化可重構(gòu)機(jī)器人(MRR)特點(diǎn)一套構(gòu)件，多種構(gòu)型，生產(chǎn)快速重組，面向用戶，按需定制集控制、通信、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、感知功能于一體系統(tǒng)開放，易于修改、重構(gòu)、添加配置功能分布式控制，控制任務(wù)分散給分布模塊完成，減輕主控負(fù)擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，模塊通過快速數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械和電氣接口，多方向與其他模塊連接受結(jié)構(gòu)局限，剛度、精度和負(fù)載自重比等不足。兼具較好重構(gòu)能力和操作性能成為重要方向模塊化可重構(gòu)機(jī)器人研究內(nèi)容旋量和指數(shù)積有根樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及組合理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法基于多Agent的分布式控制模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型美國敏捷系統(tǒng)工程公司機(jī)械臂關(guān)節(jié)構(gòu)型圖2+2+23種關(guān)節(jié)模塊2種連桿模塊只能實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)和同軸回轉(zhuǎn)

8、模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型邏輯位形圖D-H參數(shù)表模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型丹麥UR機(jī)械臂三維建模2+1+31種關(guān)節(jié)模塊1種連桿模塊1種連接模塊模塊兩端連接面有快速連接裝置，相同尺寸系列直接對接，不同尺寸系列通過輔助模塊改變關(guān)節(jié)組合方式改變構(gòu)型2+2+2增加擺動(dòng)關(guān)節(jié)增加構(gòu)型模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型改變連接件形狀改變關(guān)節(jié)構(gòu)型標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型移動(dòng)關(guān)節(jié)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)用螺旋副轉(zhuǎn)化為沿其自身軸線的往復(fù)移動(dòng)模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型邏輯位形圖D-H參數(shù)表i1000020-90137.5-9034250-119.70439309490509094060-9000模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)型模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化傳動(dòng)路線：

9、電機(jī)、行星減速器、皇冠齒輪、空心傳動(dòng)軸、諧波減速器、輸出法蘭盤模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)垂直式模塊化關(guān)節(jié)平行式模塊化關(guān)節(jié)自主研制垂直關(guān)節(jié)、平行關(guān)節(jié)、十字交叉關(guān)節(jié)、前驅(qū)動(dòng)的兩自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為便于分布式管理，各模塊需具備一定單元自治能力，擬集成下位機(jī)控制芯片可重構(gòu)機(jī)器人關(guān)節(jié)集成組件體系軟件方面，將整個(gè)控制軟件體系從上到下劃分為功能應(yīng)用層（運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與算法層）、控制功能層和功能構(gòu)件管理層，在建立完備的基于構(gòu)件的模塊庫的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)行準(zhǔn)確的構(gòu)件匹配實(shí)現(xiàn)組態(tài)結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)硬件方面，將每個(gè)模塊單元?jiǎng)澐譃槲锢順?gòu)件層、OS/驅(qū)動(dòng)層、中間件層和物理數(shù)據(jù)交換層，各模塊之間可以通過RS232或高速以太網(wǎng)等方式數(shù)

10、據(jù)通信為便于分布式管理，各模塊還需具備一定單元自治能力，包括基本通信功能、傳感信息反饋功能等自主管理能力用分層管理法任務(wù)管理基于MAS的協(xié)同控制問題自治性預(yù)動(dòng)性人的特征反應(yīng)性社會(huì)性可與其他Agent或人通信交流可感知環(huán)境并作出反應(yīng)可直接運(yùn)行，對自己行為有控制能力可主動(dòng)發(fā)起表現(xiàn)目標(biāo)引導(dǎo)的行為信息狀態(tài)行為；協(xié)商狀態(tài)行為；動(dòng)機(jī)狀態(tài)行為AgentMAS是由多個(gè)Agent組成的集合, Agent之間以及Agent與環(huán)境之間通訊、協(xié)商與協(xié)作。多個(gè)Agent相互合作，廣任務(wù)領(lǐng)域、高效率、改良系統(tǒng)性能、錯(cuò)誤容忍、魯棒性、分布式的感知與作用、內(nèi)在的并行性Agent環(huán)境動(dòng)作輸出傳感器輸入基于MAS的協(xié)同控制問題主

11、從式層次結(jié)構(gòu)，據(jù)工作范圍和職能管理Agent功能Agent應(yīng)用Agent為協(xié)同完成一項(xiàng)任務(wù)而形成的一種動(dòng)態(tài)組織結(jié)構(gòu),各Agent之間的關(guān)系式是動(dòng)態(tài)變化行政管理組織結(jié)構(gòu)(集中式)MAS的組織結(jié)構(gòu)01完全自治式組織結(jié)構(gòu)(分布式)02問題求解組織結(jié)構(gòu)(混合式).Agent自主實(shí)現(xiàn)自己目標(biāo). 靈活性、社會(huì)性和自治性, 穩(wěn)定性和可控性較差03基于MAS的協(xié)同控制問題141. 新增修改已有Agent, 總體智能增加和改善2. 某些Agent失效,其它Agent能替代, 行為柔性及魯棒性3. 并行工作方式控制模式,與集中相比, 靈活性和通用性234. 每個(gè)Agent自主性, 利用組合多樣性, 系統(tǒng)處理動(dòng)態(tài)任

12、務(wù)目標(biāo)和適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境基于多Agent的機(jī)械臂控制中，賦予各關(guān)節(jié)Agent具有以下能力:AgentAj僅可以控制一個(gè)事先指定的自身關(guān)節(jié)變量j(j= 1, 2,n)已知角桿長Lj以及前一時(shí)刻的關(guān)節(jié)角變量j(j= 1, 2,n)的數(shù)值可通過傳感器獲取末端執(zhí)行器E和目標(biāo)點(diǎn)T的位置以及它們之間的距離可通過評價(jià)末端執(zhí)行器E和目標(biāo)點(diǎn)T的相對定位來獲取任務(wù)的完成情況AgentAj可按照自己獨(dú)立完成目標(biāo)任務(wù)的策略來控制關(guān)節(jié)角j(j= 1, 2,n)的動(dòng)作每個(gè)Agent只按照自己對任務(wù)的貢獻(xiàn)去實(shí)施自己的行為策略。對一個(gè)Agent而言,它事先并不知道末端執(zhí)行器的軌跡,因?yàn)槟┒藞?zhí)行器的運(yùn)動(dòng)是由多個(gè)Agent在某一時(shí)刻

13、同時(shí)動(dòng)作后的綜合結(jié)果與其它求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的方式相比,基于多Agent的機(jī)器人控制模式優(yōu)點(diǎn)分布式人工智能(DAI) 成為人工智能研究的一個(gè)重要分支從事機(jī)器人學(xué)的研究人員將智能體概念應(yīng)用于多機(jī)器人系統(tǒng)的研究中,將單個(gè)機(jī)器人視作一個(gè)能獨(dú)立執(zhí)行特定任務(wù)的智能體,并把這種多機(jī)器人系統(tǒng)稱為“多智能體機(jī)器人系統(tǒng)(MARS)”從2019年開始的機(jī)器人世界杯足球賽典型地應(yīng)用了多智能體技術(shù)來構(gòu)造多機(jī)器人系統(tǒng)在工業(yè)方面，MAS協(xié)同控制的應(yīng)用表現(xiàn)在，人們控制多個(gè)智能機(jī)器人以特定隊(duì)形搬運(yùn)單個(gè)物體，利用多個(gè)智能機(jī)器人替代人類進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)。在軍事方面還可以利用多機(jī)器人群體進(jìn)行偵查、巡邏等多機(jī)器人系統(tǒng)DAIDPS(Distributed Problem Solving)MAS(Multi-Agent System)多機(jī)器人系統(tǒng)多機(jī)器人路徑規(guī)劃研究必須考慮多機(jī)器人系統(tǒng)中機(jī)器人之間的避碰機(jī)制、機(jī)器人的相互協(xié)作機(jī)制、通信機(jī)制等問題。左圖方法都是從單個(gè)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法擴(kuò)展來。多機(jī)器人路徑規(guī)劃基于環(huán)境模型基于行為完全已知環(huán)境局部路徑規(guī)劃把導(dǎo)航問題分解柵格法自由空間法可視圖法和拓?fù)浞╒oronoi圖