摘 要：由于市場壘球化的競爭，機器人的應用范圍要求越來越廣．而每種機器人的構形僅船適應一定的有限范圍，因此機器人的柔性不船滿足市場變化的要求．解決這一問題的方法就是開發(fā)可重構機器人系統(tǒng)．本文介紹了可重構機器人的發(fā)展狀況，分析了可重構機器人的研究內容和發(fā)展方向． 關鍵詞：重構性、機器人、摸塊 1 引言 從理論上來講，機器人是一種柔性設備，它能通過編程來適應新的工作，然而實際應用中很少使用這種情況．但傳統(tǒng)的機器人都是根據(jù)特定的應用范圍來開發(fā)的，雖然對那些任務明確的工業(yè)應用來講，這種機器人已經足夠滿足實際需要了，然而由于市場全球化的競爭，機器人的應用范圍要求越來越廣，而每種機器人的構形僅能適應一定的有限范圍，因此機器人的柔性不能滿足市場變化的要求，解決這一問題的方法就是開發(fā)可重構機器人系統(tǒng)，它是由一套具有各種尺寸和性能特征的可交換的模塊組成，能夠被裝配成各種不同構形的機器人，以適應不同的工作．因此可重構機器人系統(tǒng)的研究已引起越來越多的研究者和工業(yè)應用的興趣，本文在分析了可重構模塊化機器人的發(fā)展狀況后提出了今后需要研究的方向。 2 國內外研究狀況 國外對可重構機器人系統(tǒng)已經進行了大量的研究，目前已經開發(fā)的模塊化機器人系統(tǒng)或可重構機器人系統(tǒng)主要有兩類：一類是動態(tài)可重構機器人系統(tǒng)，另一類是靜態(tài)可重構機器人系統(tǒng)．動態(tài)可重構機器人系統(tǒng)有：Pamecha 和Chirikjian～“ 的構形變化機器人系統(tǒng)（MetamorphicRobotic System）．它是由一套獨立的機電模塊組成的，每個模塊都有連接．脫開及越過相鄰模塊的功能，每個模塊設有動力，但允許動力和信息輸入且可 通過它輸?shù)较噜從K，構形改變是通過每個模塊在相鄰模塊上的移動來實現(xiàn)的，這種系統(tǒng)具有動態(tài)自重構的能力．KotayC21]等人提出了分子（Mo[ecu[e）的概念，自重構機器人的模塊稱為分子，分子是建立自重構機器人的基礎，分子和其它分子相連接且分子 能夠在其它分子上運動形成任意的三維結構，是一種動態(tài)的自重構系統(tǒng)．YimE 研究了一種動態(tài)可重構移動機器人，不用輪子和履帶．而是通過稱為多邊形桿結構的模塊從尾部移到前端，實現(xiàn)重心移動，即機器人的移動，并能通過不同的構形適應不同的環(huán)境．Murata一 等人提出了一種三維自重構結構．其模塊為一種齊次結構且僅一種模塊，通過一個模塊在另一個模塊上的運動來動態(tài)的組成各種結構．靜態(tài)可重構機器人系統(tǒng)有：Benhabih0。 的模塊化機器人，提出了基于遙驅動技術的模塊機器人單元，驅動方式類似于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，認為驅動部分太重，影啊模塊機器人的能力，雖然采用該驅動方式使模塊化機器人柔性降低，但易實現(xiàn)，是一個折衷的方案．Paredis，Brown和Khosla 的可重構模塊化機器人系統(tǒng)（RMMs）．它利用一套可交換的不同尺寸和特性的連桿和關節(jié)模塊，通過組成這些通用模塊，能夠裝配出各種專用的機器人．這種系統(tǒng)特別適用于可重構，并且考慮了軟件可重構．Chen等人 的模塊化可重構機器人．設計了模塊庫，并研究了構形的設計及運動學和動力學的分析方法．Han等人的模塊化機器人機械臂，對模塊的機械設計方面開發(fā)了一套軟件來實現(xiàn)構形的設計．Hui 等人提出了一種 IRIS裝置，它是一種模塊化．可重構和可擴展的機器人系統(tǒng)，該裝置具有2臺4-dof轉動關節(jié)機器人，每臺機器人均可重構成各種構形，每個關節(jié)由DC電機諧波減速驅動，并裝有位置．力矩傳感器，它的軟件也和硬件一樣設計成模塊化的、可擴展的和可重構 的．Fuiita¨1 等人開發(fā)了一個可重構機器人平臺，它是基于Sony公司開發(fā)的0PEN R標準來建立各種軟、硬件模塊，通過模塊組成各種不同的機器人結構，該平臺主要用于玩具娛樂業(yè)．Matsumaru：aa]提出了ToMMS系統(tǒng)（Toshiba Modular ManipulatorSystem），它是由關節(jié)模塊．連桿模塊和有操縱桿的控制單元組成的，通過人工能夠構成各種構形的機器人，其運動學是在構形確定的情況下進行的．Habibi_1 等人研究了可重構液壓驅動工業(yè)機器人的設計問題．德國AMTEC公司生產的POWERCUBE 產品是模塊化的機器人 ．目的是以各種特定的機器人滿足各種生產需要．Ji和Song： 提出了一種可重構平臺機器人的設計．它主要針對并聯(lián)機器人的模塊化設計進行了研究． 從應用范圍來看，動態(tài)可重構機器人系統(tǒng)主要適用于玩具行業(yè)及非制造行業(yè)，如空同機器人．危險作業(yè)環(huán)境下的特殊機器人等，靜態(tài)可重構機器人系統(tǒng)主要適用于工業(yè)機器人．適用于玩具行業(yè)及非制造行業(yè)，如空同機器人．危險作業(yè)環(huán)境下的特殊機器人等，靜態(tài)可重構機器人系統(tǒng)主要適用于工業(yè)機器人． 3 可重構模塊化機器人系統(tǒng)的設計 可重構模塊化機器人系統(tǒng)是由一套具有不同尺寸和性能特征的模塊組成的．通過這些模塊能快速裝配出最適用于完成給定任務的機器人．因此可重構模塊化機器人系統(tǒng)應具有以下功能： （1）用戶應能很方便地拆散和裝配各種模塊組成不同的機器人構形滿足特定的工作要求； （2）構造的機器人構形使用的模塊數(shù)和模塊類型應盡可能地少； （3）用戶對控制軟件的修改也不應做復雜的操作； （4）裝配的模塊化機器人應能立即工作，完成實際任務． 可重構模塊化機器人系統(tǒng)設計的主要內容是模塊的劃分和模塊的設計．模塊的劃分既要考慮可重構模塊化機器人的應用范圍、工件特點和性能，同時模塊本身也要符合以下幾條基本原則 （1）每個模塊單元應是獨立的和自裝的； （2）每個模塊單元應是可快速連接到任意其它的模塊單元，而不論其類型如何； （3）每個模塊單元應是最小重量和最小慣性． （4）每個模塊單元在運動學和動力學上應具有獨立性． 可重構模塊化機器人系統(tǒng)是由一套模塊構成的，目前對機械模塊的劃分主要分為基礎單元模塊、末端件模塊、連桿模塊、關節(jié)模塊（移動關節(jié)模塊、轉動關節(jié)模塊、回轉關節(jié)模塊）等．目前幾種典型的模塊劃分方法有：Benhabib E 等人建立的機器人模塊庫，它將模塊分為四類模塊：模塊單元連接器、連桿模塊、主關節(jié)模塊、末端關節(jié)模塊等，其中連桿關節(jié)采用圓環(huán)截面的圓柱體形，保證任意方向上的抗彎、抗扭能力，提高構造機械手的柔·陛，空心結構能保證模塊的質量和轉動慣量小，將基礎件也劃為該類模塊．主關節(jié)模塊叉可分為轉動關節(jié)和移動關節(jié)模塊，按其驅動方式分為R—Actuator—M 模塊（用于離基礎件較近的關節(jié)，它采用I）C電機，諧波減速驅動，重量大），R-Actuator1，Link M （用于離基礎件較遠的關節(jié)，動力不放在關節(jié)上，而是放在離基礎較近的地方通過傳動元件傳送給關節(jié)），P—Actuatot M（DC電機驅動的移動關節(jié)）．末端件關節(jié)也分為轉動關節(jié)和移動關節(jié)，R—Actuator—E和R—Actuator、Link—E，其驅動原理與主關節(jié)模塊原理相同．同時設計了一個單 元連接器，用止口和定位銷定位，用螺栓進行聯(lián)接．ParedisE263等人在RMMS系統(tǒng)中提出了硬件模塊的劃分方法，建立了機械手的基礎模塊．連桿模塊．三個轉動關節(jié)模塊．一個回轉關節(jié)模塊．基礎模塊和連桿模塊是無自由度的，關節(jié)模塊有一個自由度，模塊是自封閉的，硬件包含有CPU，傳感器、驅動器、制動器、傳動裝置、傳感器接口、電機放大器和通訊接口等，電器部分也根據(jù)模塊化的原理設計，采用具有基 本功能的母板和特殊功能的子板，同時設計了一個集成的快速耦合連接器，以便模塊之間的快速連接．Chen等人設計的模塊化機器人系統(tǒng)中，僅考慮連桿模塊和關節(jié)模塊，關節(jié)模塊有轉動關節(jié)模塊．移動關節(jié)模塊．螺旋關節(jié)模塊和圓柱關節(jié)模塊．連桿模塊設計成立方體和長方體，其特點是多關節(jié)聯(lián)接和幾何對稱，立方體的六個表面均有聯(lián)接口，長方體的二端的各表面也都有聯(lián)接口．可重構模塊化機器人系統(tǒng)模塊的基本功能應包括以下幾個方面： （1）模塊應具有自封裝的功能，完成某一特定的功能． （2）模塊應具有驅動能力，完成特定的運動和動作． （3）模塊應具有通訊能力．以便各模塊能協(xié)調的工作． （4）模塊應具有數(shù)據(jù)處理能力． 4 可重構模塊化機器人的構形設計 可重構模塊化機器人系統(tǒng)是由一套各種功能的模塊組成的，通過選擇不同的模塊組臺就可裝配成不同模塊化的機器人，可重構模塊化機器人構形設計的目的就是如何找到一個最優(yōu)的裝配構形來完成給定的工作． 可重構模塊化機器人構形設計的方法主要考慮以下三個問題：首先要確定構形的表達方法；其次就是確定構形的評價標準；最后采用適當?shù)膬?yōu)化方法確定滿足給定任務的最優(yōu)構形．目前拘形的表達方法有：Chenis等人采用圖論的概念，將模塊機器人的裝配關系用裝配關聯(lián)矩陣來表達，建立了裝配構形評價函數(shù)：是模塊機器人裝配構形 的結構性能．A是一個裝配關聯(lián)矩陣， 為任務評價標準，表達任務點集臺中最差情況下模塊機器人的性能測量值．采用遺傳算法來求解該優(yōu)化問題，得到最佳的機器人構形．Paredis r 等人根據(jù)運動學設計任務的要求（即可達性、關節(jié)在極限范圍內運動和避障的要求），僅考慮轉動關節(jié)，在D—H 參數(shù)表達的運動學中通過的代換，解決了運動可迭性的判斷問題，采用模擬退火法進行構形的優(yōu)化．ChocronEo3和Hanr” 采用遺傳算法進行模塊化機器人的構形設計． 5 可重構模塊化機器人的運動學和動力學 可重構模塊化機器人的運動學和動力學的產生也與傳統(tǒng)機器人的運動學動力學不同，要求在構形改變后自動生成運動學和動力學．Benhabib： 等人提出了運動模塊技術，采用D—H參數(shù)，每個機械模塊從輸入端口到輸出端口之間的運動聯(lián)系是通過4×4階的齊次變換矩陣來轉換．Chenn 等人在模塊化機器人的運動學分析時采用了指數(shù)積的形式，首先研究一個連接副（由兩個連桿和一個關節(jié)模塊組成）的運動學，并表達成指數(shù)積形式，然后根據(jù)機器人的構形采用指數(shù)形式的連積得到機器人的前向運動學． 6 可重構模塊化機器人的控制系統(tǒng)軟件 可重構機器人既要實現(xiàn)硬件的可重構．同時實時控制軟件也必須是可重構的，這樣才能適應機器人應用范圍的快速變化．為了實現(xiàn)軟件的可重構，必須要解決可重構軟件模塊庫的開發(fā)和這些模塊根據(jù)硬件構形和控制任務自動集成的問題．在計算機軟件工程領域，對軟件的重用進行了大量的研究，但對可重構軟件的研究并不多．在可重構機器人控制軟件可重構方面的研究也較少 Khosla口 等人使用基于端口的對象設計了一個動態(tài)可重構實時軟件和基于傳感器實時系統(tǒng)的多層人機界面，并應用到可重構模塊化機器人中． 7 可重構模塊化機器人研究方向 綜上所述，可重構模塊化機器人系統(tǒng)的研究已經引起了許多研究者的注意，目前仍需進一步研究的內容主要在以下幾個方面： （1）可重構模塊化機器人系統(tǒng)中模塊的功能．設計及實現(xiàn)方法．包括機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、硬件模塊的設計，軟、硬件模塊自動或快速連接方法的研究． （2）可重構模塊化機器人的構形設計．包括機器人所需完成任務描述方法的研究，機器人構形表達方法的研究，機器人最優(yōu)構形生成方法的研究． （3）可重構模塊化機器人的運動學和動力學研究應主要考慮軟件的可重構性．包括模塊運動學和動力學的分析方法，分布式模塊機器人運動學和動力學分析方法的研究． （4）研究適用于可重構模塊化機器人系統(tǒng)的可重構實時控制軟件．包括機器人控制模塊的功能分析和劃分方法的研究，軟件重構方法的研究．