可重构模块化机器人-课件

可重构模块化

机器人可重构模块化

机器人1目录

工业机器人发展趋势

传统工业机器人

可重构模块化机器人国外发展现状可重构模块化机器人国内发展现状可重构模块化机器人特点模块化关节构型模块化关节结构设计可重构机器人关节集成组件软硬件体系结构基于多Agent的分布式控制方法多机器人系统可重构模块化机器人主要研究内容目录工业机器人发展趋势传统工业机器人可重构模块化机器人2

工业机器人的国内外发展趋势

工业机器人的国内外发展趋势

3

第一阶段：示教再现型机器人

示教再现型机器人，主要由机器人本体运动控制器和示教盒组成。由运动控制器解析执行示教程序，实现预定动作。操作过程不具反馈能力。Unimate工业机器人和Versatra：最早的、最著名的、至今仍在应用。

第一阶段：示教再现型机器人

示教再现型机器人，主要由机器人4第二阶段：离线编程机器人

机器人编程系统是采用离线式计算机实体模型仿真技术，建立实体模型，采用实际的正逆解算法在离线的情况路径规划，编程三维动画仿真，检验正确性，代码传递给控制柜，运动控制。FANUC离线编工具ROBOGUIDEABB机器人离线编程与仿真软件RobotStudio第二阶段：离线编程机器人

机器人编程系统是采用离线式计算机实5第三阶段：智能机器人

不但携带各种传感器，具有对外界环境的感知能力，而且具备一定程度的独立判断、记忆推理和决策的能力，能适应外部对象、环境的变化，完成更加复杂的动作。安川DX100控制系统可同步控制8个工业机器人ABB的机器人智能3D视觉系统通过视觉系统引导机器人第三阶段：智能机器人

不但携带各种传感器，具有对外界环境的感6传统工业机器人SCARA型工业机器人垂直关节型工业机器人传统工业机器人是基于给定工作任务设计的SCARA型工业机器人主要用于高精密的水平作业垂直关节型工业机器人可绕轴线俯仰摆动,可绕轴线旋转传统工业机器人SCARA型工业机器人垂直关节型工业机器人传统7可重构模块化机器人传统工业机器人结构造型一经设计就不可改变,在工作环境和给定任务发生改变的情况下,固定构型显现出了很大的局限性。解决方法模块化可重构机器人(Modularreconfigurablerobot,MRR)模块化可重构机器人MRR由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配结构的关节模块、连杆模块、末端执行器模块以及相应的驱动、控制、通信模块等以搭积木的方式构成。静态可重构机器人动态可重构机器人可重构模块化机器人传统工业机器人静态可重构机器人动态可重构机8国外可重构模块化机器人研究现状构型数量少，自重大国外可重构模块化机器人研究现状构型数量少，自重大9国外可重构模块化机器人研究现状国外可重构模块化机器人研究现状10国外可重构模块化机器人研究现状国外可重构模块化机器人研究现状11国外可重构模块化机器人研究现状AMTEC公司生产的PowerCube模块及应用实例由PowerCube模块构成的6自由度构型的三种形式早期模块关节方形，有多个表面可连接，构型灵活，刚度精度不足国外可重构模块化机器人研究现状AMTEC公司生产的Power12国外可重构模块化机器人研究现状美国的RoboticsResearch公司设计了系列化的关节模块，可组装成不同尺寸，不同载荷的7-DOF灵巧机器人臂。系统模块分为侧滚和俯仰和末端带执行器机械接口的旋转关节。国外可重构模块化机器人研究现状美国的RoboticsRes13国外可重构模块化机器人研究现状国外可重构模块化机器人研究现状14国内可重构模块化机器人研究现状上海交通大学的费燕琼在模块化的结构设计、运动学正逆解生成和动力学生成等方面做了研究清华大学的郑浩峻，汪劲松等将可重构单元划分为摆动单元、旋转单元和辅助单元三类，利用组合数学理论对其组合装配特性进行了分析中国科学院沈阳自动化研究所的刘明尧，李斌等研究了基于多Agent可重构机器人的控制方法，将关节机器人的复杂控制转换为多个简单子系统的控制东北大学的李树军、张艳丽等对可重构模块化机器人模块的结构进行了研究，并归纳设计出3种1自由度的关节模块，2种连杆模块和2种辅助模块共7种功能模块北京邮电大学和北京工业大学利用PowerCube模块，进行了可重构机器人系统的研究中国科学院沈阳自动化研究所基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统(Reconfigurableplanetaryrobotsystem,RPRS)，还提出了一种模块可重构、自动变形的链式可重构模块机器人平台北京航空航天大学开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人，研究了模块化的机械电气结构和控制方法实现，采用实时嵌入式控制系统实现分布式控制国内可重构模块化机器人研究现状上海交通大学的费燕琼在模块化的15国内可重构模块化机器人研究现状国内代表性商业产品：上海未来伙伴机器人有限公司的模块化机械臂，设计基于SCHUNK的PowerCube。上海英集斯自动化技术有限公司生产的模块化机械手臂。上海广茂达公司研制的AS一MRobotE系列模块化机器人产品基础单元模块末端件模块连杆模块关节模块国内可重构模块化机器人研究现状国内代表性商业产品：基础单元模16国内可重构模块化机器人研究现状上海英集斯上海未来伙伴机器人较好开放性，精度、刚度不足，电缆外走线较高刚度，模块化与重构思想不彻底国内可重构模块化机器人研究现状上海英集斯上海未来伙伴机器人较17模块化可重构机器人(MRR)特点一套构件，多种构型，生产快速重组，面向用户，按需定制集控制、通信、驱动、传动、感知功能于一体系统开放，易于修改、重构、添加配置功能分布式控制，控制任务分散给分布模块完成，减轻主控负担标准以太网，模块通过快速数据通讯系统信息传递标准化机械和电气接口，多方向与其他模块连接受结构局限，刚度、精度和负载自重比等不足。兼具较好重构能力和操作性能成为重要方向模块化可重构机器人(MRR)特点一套构件，多种构型，生产快速18模块化可重构机器人研究内容旋量和指数积有根树状拓扑结构图及组合理论神经网络遗传算法基于多Agent的分布式控制模块化可重构机器人研究内容旋量和指数积有根树状拓扑结构图及组19模块化关节构型美国敏捷系统工程公司机械臂关节构型图2+2+23种关节模块2种连杆模块只能实现摆动和同轴回转模块化关节构型关节构型图2+2+23种关节模块只能实现摆动和20模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表21模块化关节构型模块化关节构型22模块化关节构型丹麦UR机械臂三维建模2+1+31种关节模块1种连杆模块1种连接模块模块两端连接面有快速连接装置，相同尺寸系列直接对接，不同尺寸系列通过辅助模块模块化关节构型丹麦UR机械臂2+1+31种关节模块模块两端连23改变关节组合方式改变构型2+2+2增加摆动关节增加构型模块化关节构型改变连接件形状改变关节构型标准构型移动关节将电机的转动用螺旋副转化为沿其自身轴线的往复移动改变关节组合方式2+2+2增加摆动关节增加构型模块化关节构型24模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表i1000020-90137.5-9034250-119.70439309490509094060-9000模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表i1000020-90125模块化关节构型模块化关节构型26模块化关节结构设计关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化传动路线：电机、行星减速器、皇冠齿轮、空心传动轴、谐波减速器、输出法兰盘模块化关节结构设计关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位27模块化关节结构设计垂直式模块化关节平行式模块化关节自主研制垂直关节、平行关节、十字交叉关节、前驱动的两自由度机器人关节等机构设计为便于分布式管理，各模块需具备一定单元自治能力，拟集成下位机控制芯片模块化关节结构设计垂直式模块化关节平行式模块化关节自主研制垂28

可重构机器人关节集成组件体系

软件方面，将整个控制软件体系从上到下划分为功能应用层（运动规划与算法层）、控制功能层和功能构件管理层，在建立完备的基于构件的模块库的基础上，通过进行准确的构件匹配实现组态结构的软件系统硬件方面，将每个模块单元划分为物理构件层、OS/驱动层、中间件层和物理数据交换层，各模块之间可以通过RS232或高速以太网等方式数据通信为便于分布式管理，各模块还需具备一定单元自治能力，包括基本通信功能、传感信息反馈功能等自主管理能力用分层管理法任务管理

可重构机器人关节集成组件体系

软件方面，将整个控制软件体系29基于MAS的协同控制问题自治性预动性人的特征反应性社会性可与其他Agent或人通信交流可感知环境并作出反应可直接运行，对自己行为有控制能力可主动发起表现目标引导的行为信息状态行为；协商状态行为；动机状态行为AgentMAS是由多个Agent组成的集合,Agent之间以及Agent与环境之间通讯、协商与协作。多个Agent相互合作，广任务领域、高效率、改良系统性能、错误容忍、鲁棒性、分布式的感知与作用、内在的并行性Agent环境动作输出传感器输入基于MAS的协同控制问题自治性预动性人的特征反应性社会性可与30

基于MAS的协同控制问题

主从式层次结构，据工作范围和职能管理Agent功能Agent应用Agent为协同完成一项任务而形成的一种动态组织结构,各Agent之间的关系式是动态变化行政管理组织结构(集中式)MAS的组织结构01完全自治式组织结构(分布式)02问题求解组织结构(混合式).Agent自主实现自己目标.灵活性、社会性和自治性,稳定性和可控性较差03

基于MAS的协同控制问题

主从式层次结构，据工作范围和职能31基于MAS的协同控制问题141.新增修改已有Agent,总体智能增加和改善2.某些Agent失效,其它Agent能替代,行为柔性及鲁棒性3.并行工作方式控制模式,与集中相比,灵活性和通用性234.每个Agent自主性,利用组合多样性,系统处理动态任务目标和适应动态环境基于多Agent的机械臂控制中，赋予各关节Agent具有以下能力:①AgentAj仅可以控制一个事先指定的自身关节变量θj(j=1,2,…n)②已知角杆长Lj以及前一时刻的关节角变量θj(j=1,2,…n)的数值③可通过传感器获取末端执行器E和目标点T的位置以及它们之间的距离④可通过评价末端执行器E和目标点T的相对定位来获取任务的完成情况⑤AgentAj可按照自己独立完成目标任务的策略来控制关节角θj(j=1,2,…n)的动作每个Agent只按照自己对任务的贡献去实施自己的行为策略。对一个Agent而言,它事先并不知道末端执行器的轨迹,因为末端执行器的运动是由多个Agent在某一时刻同时动作后的综合结果与其它求解逆运动学问题的方式相比,基于多Agent的机器人控制模式优点基于MAS的协同控制问题141.新增修改已有Agent,32分布式人工智能(DAI)成为人工智能研究的一个重要分支从事机器人学的研究人员将智能体概念应用于多机器人系统的研究中,将单个机器人视作一个能独立执行特定任务的智能体,并把这种多机器人系统称为“多智能体机器人系统(MARS)”从2019年开始的机器人世界杯足球赛典型地应用了多智能体技术来构造多机器人系统在工业方面，MAS协同控制的应用表现在，人们控制多个智能机器人以特定队形搬运单个物体，利用多个智能机器人替代人类进行危险作业。在军事方面还可以利用多机器人群体进行侦查、巡逻等多机器人系统DAIDPS(DistributedProblemSolving)MAS(Multi-AgentSystem)分布式人工智能(DAI)成为人工智能研究的一个重要分支多机33多机器人系统多机器人路径规划研究必须考虑多机器人系统中机器人之间的避碰机制、机器人的相互协作机制、通信机制等问题。左图方法都是从单个机器人路径规划方法扩展来。多机器人路径规划基于环境模型基于行为完全已知环境局部路径规划把导航问题分解栅格法自由空间法可视图法和拓扑法Voronoi图法人工势场法模糊逻辑法滚动的规划方法强化学习基于传感器信息多机器人系统多机器人路径规划研究必须考虑多机器人系统中机器人34多机器人系统全方位移动操作机械臂多机器人系统全方位移动35研究展望1.作业空间的形状取决于关节运动副的类型的组合,作业空间的大小取决于运动副间连杆的尺寸，建立类型和尺寸系列化的模块库2.建立作业空间、能耗等多约束，寻找最优构型3.关节模块集成控制芯片，建立分布式控制系统研究展望1.作业空间的形状取决于关节运动副的类型的组合,作36谢谢谢谢37谢谢！供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)谢谢！供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸38可重构模块化

机器人可重构模块化

机器人39目录

工业机器人发展趋势

传统工业机器人

可重构模块化机器人国外发展现状可重构模块化机器人国内发展现状可重构模块化机器人特点模块化关节构型模块化关节结构设计可重构机器人关节集成组件软硬件体系结构基于多Agent的分布式控制方法多机器人系统可重构模块化机器人主要研究内容目录工业机器人发展趋势传统工业机器人可重构模块化机器人40

工业机器人的国内外发展趋势

工业机器人的国内外发展趋势

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第一阶段：示教再现型机器人

示教再现型机器人，主要由机器人本体运动控制器和示教盒组成。由运动控制器解析执行示教程序，实现预定动作。操作过程不具反馈能力。Unimate工业机器人和Versatra：最早的、最著名的、至今仍在应用。

第一阶段：示教再现型机器人

示教再现型机器人，主要由机器人42第二阶段：离线编程机器人

机器人编程系统是采用离线式计算机实体模型仿真技术，建立实体模型，采用实际的正逆解算法在离线的情况路径规划，编程三维动画仿真，检验正确性，代码传递给控制柜，运动控制。FANUC离线编工具ROBOGUIDEABB机器人离线编程与仿真软件RobotStudio第二阶段：离线编程机器人

机器人编程系统是采用离线式计算机实43第三阶段：智能机器人

不但携带各种传感器，具有对外界环境的感知能力，而且具备一定程度的独立判断、记忆推理和决策的能力，能适应外部对象、环境的变化，完成更加复杂的动作。安川DX100控制系统可同步控制8个工业机器人ABB的机器人智能3D视觉系统通过视觉系统引导机器人第三阶段：智能机器人

不但携带各种传感器，具有对外界环境的感44传统工业机器人SCARA型工业机器人垂直关节型工业机器人传统工业机器人是基于给定工作任务设计的SCARA型工业机器人主要用于高精密的水平作业垂直关节型工业机器人可绕轴线俯仰摆动,可绕轴线旋转传统工业机器人SCARA型工业机器人垂直关节型工业机器人传统45可重构模块化机器人传统工业机器人结构造型一经设计就不可改变,在工作环境和给定任务发生改变的情况下,固定构型显现出了很大的局限性。解决方法模块化可重构机器人(Modularreconfigurablerobot,MRR)模块化可重构机器人MRR由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配结构的关节模块、连杆模块、末端执行器模块以及相应的驱动、控制、通信模块等以搭积木的方式构成。静态可重构机器人动态可重构机器人可重构模块化机器人传统工业机器人静态可重构机器人动态可重构机46国外可重构模块化机器人研究现状构型数量少，自重大国外可重构模块化机器人研究现状构型数量少，自重大47国外可重构模块化机器人研究现状国外可重构模块化机器人研究现状48国外可重构模块化机器人研究现状国外可重构模块化机器人研究现状49国外可重构模块化机器人研究现状AMTEC公司生产的PowerCube模块及应用实例由PowerCube模块构成的6自由度构型的三种形式早期模块关节方形，有多个表面可连接，构型灵活，刚度精度不足国外可重构模块化机器人研究现状AMTEC公司生产的Power50国外可重构模块化机器人研究现状美国的RoboticsResearch公司设计了系列化的关节模块，可组装成不同尺寸，不同载荷的7-DOF灵巧机器人臂。系统模块分为侧滚和俯仰和末端带执行器机械接口的旋转关节。国外可重构模块化机器人研究现状美国的RoboticsRes51国外可重构模块化机器人研究现状国外可重构模块化机器人研究现状52国内可重构模块化机器人研究现状上海交通大学的费燕琼在模块化的结构设计、运动学正逆解生成和动力学生成等方面做了研究清华大学的郑浩峻，汪劲松等将可重构单元划分为摆动单元、旋转单元和辅助单元三类，利用组合数学理论对其组合装配特性进行了分析中国科学院沈阳自动化研究所的刘明尧，李斌等研究了基于多Agent可重构机器人的控制方法，将关节机器人的复杂控制转换为多个简单子系统的控制东北大学的李树军、张艳丽等对可重构模块化机器人模块的结构进行了研究，并归纳设计出3种1自由度的关节模块，2种连杆模块和2种辅助模块共7种功能模块北京邮电大学和北京工业大学利用PowerCube模块，进行了可重构机器人系统的研究中国科学院沈阳自动化研究所基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统(Reconfigurableplanetaryrobotsystem,RPRS)，还提出了一种模块可重构、自动变形的链式可重构模块机器人平台北京航空航天大学开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人，研究了模块化的机械电气结构和控制方法实现，采用实时嵌入式控制系统实现分布式控制国内可重构模块化机器人研究现状上海交通大学的费燕琼在模块化的53国内可重构模块化机器人研究现状国内代表性商业产品：上海未来伙伴机器人有限公司的模块化机械臂，设计基于SCHUNK的PowerCube。上海英集斯自动化技术有限公司生产的模块化机械手臂。上海广茂达公司研制的AS一MRobotE系列模块化机器人产品基础单元模块末端件模块连杆模块关节模块国内可重构模块化机器人研究现状国内代表性商业产品：基础单元模54国内可重构模块化机器人研究现状上海英集斯上海未来伙伴机器人较好开放性，精度、刚度不足，电缆外走线较高刚度，模块化与重构思想不彻底国内可重构模块化机器人研究现状上海英集斯上海未来伙伴机器人较55模块化可重构机器人(MRR)特点一套构件，多种构型，生产快速重组，面向用户，按需定制集控制、通信、驱动、传动、感知功能于一体系统开放，易于修改、重构、添加配置功能分布式控制，控制任务分散给分布模块完成，减轻主控负担标准以太网，模块通过快速数据通讯系统信息传递标准化机械和电气接口，多方向与其他模块连接受结构局限，刚度、精度和负载自重比等不足。兼具较好重构能力和操作性能成为重要方向模块化可重构机器人(MRR)特点一套构件，多种构型，生产快速56模块化可重构机器人研究内容旋量和指数积有根树状拓扑结构图及组合理论神经网络遗传算法基于多Agent的分布式控制模块化可重构机器人研究内容旋量和指数积有根树状拓扑结构图及组57模块化关节构型美国敏捷系统工程公司机械臂关节构型图2+2+23种关节模块2种连杆模块只能实现摆动和同轴回转模块化关节构型关节构型图2+2+23种关节模块只能实现摆动和58模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表59模块化关节构型模块化关节构型60模块化关节构型丹麦UR机械臂三维建模2+1+31种关节模块1种连杆模块1种连接模块模块两端连接面有快速连接装置，相同尺寸系列直接对接，不同尺寸系列通过辅助模块模块化关节构型丹麦UR机械臂2+1+31种关节模块模块两端连61改变关节组合方式改变构型2+2+2增加摆动关节增加构型模块化关节构型改变连接件形状改变关节构型标准构型移动关节将电机的转动用螺旋副转化为沿其自身轴线的往复移动改变关节组合方式2+2+2增加摆动关节增加构型模块化关节构型62模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表i1000020-90137.5-9034250-119.70439309490509094060-9000模块化关节构型逻辑位形图D-H参数表i1000020-90163模块化关节构型模块化关节构型64模块化关节结构设计关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化传动路线：电机、行星减速器、皇冠齿轮、空心传动轴、谐波减速器、输出法兰盘模块化关节结构设计关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位65模块化关节结构设计垂直式模块化关节平行式模块化关节自主研制垂直关节、平行关节、十字交叉关节、前驱动的两自由度机器人关节等机构设计为便于分布式管理，各模块需具备一定单元自治能力，拟集成下位机控制芯片模块化关节结构设计垂直式模块化关节平行式模块化关节自主研制垂66

可重构机器人关节集成组件体系

软件方面，将整个控制软件体系从上到下划分为功能应用层（运动规划与算法层）、控制功能层和功能构件管理层，在建立完备的基于构件的模块库的基础上，通过进行准确的构件匹配实现组态结构的软件系统硬件方面，将每个模块单元划分为物理构件层、OS/驱动层、中间件层和物理数据交换层，各模块之间可以通过RS232或高速以太网等方式数据通信为便于分布式管理，各模块还需具备一定单元自治能力，包括基本通信功能、传感信息反馈功能等自主管理能力用分层管理法任务管理

可重构机器人关节集成组件体系

软件方面，将整个控制软件体系67基于MAS的协同控制问题自治性预动性人的特征反应性社会性可与其他Agent或人通信交流可感知环境并作出反应可直接运行，对自己行为有控制能力可主动发起表现目标引导的行为信息状态行为；协商状态行为；动机状态行为AgentMAS是由多个Agent组成的集合,Agent之间以及Agent与环境之间通讯、协商与协作。多个Agent相互合作，广任务领域、高效率、改良系统性能、错误容忍、鲁棒性、分布式的感知与作用、内在的并行性Agent环境动作输出传感器输入基于MAS的协同控制问题自治性预动性人的特征反应性社会性可与68

基于MAS的协同控制问题

主从式层次结构，据工作范围和职能管理Agent功能Agent应用Agent为协同完成一项任务而形成的一种动态组织结构,各Agent之间的关系式是动态变化行政管理组织结构(集中式)MAS的组织结构01完全自治式组织结构(分布式)02问题求解组织结构(混合式).Agent自主实现自己目标.灵活性、社会性和自治性,稳定性和可控性较差03

基于MAS的协同控制问题

主从式层次结构，据工作范围和职能69基于MAS的协同控制问题141.新增修改已有Agent,总体智能增加和改善2.某些Agent失效,其它Agent能替代,行为柔性及鲁棒性3.并行工作方式控制模式,与集中相比,灵活性和通用性234.每个Agent自主性,利用组合多样性,系统处理动态任务目标和适应动态环境基于多Agent的机械臂控制中，赋予各关节Agent具有以下能力:①AgentAj仅可以控制一个事先指定的自身关节变量θj(j=1,2,…n)②已知角杆长Lj以及前一时刻的关节角变量θj(j=1,2,…