摘 要：由于市場壘球化的競爭，機器人的應(yīng)用范圍要求越來越廣．而每種機器人的構(gòu)形僅船適應(yīng)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(gòu)機器人系統(tǒng)．本文介紹了可重構(gòu)機器人的發(fā)展狀況，分析了可重構(gòu)機器人的研究內(nèi)容和發(fā)展方向． 關(guān)鍵詞：重構(gòu)性、機器人、摸塊 1 引言 從理論上來講，機器人是一種柔性設(shè)備，它能通過編程來適應(yīng)新的工作，然而實際應(yīng)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(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，這種機器人已經(jīng)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(yīng)用范圍要求越來越廣，而每種機器人的構(gòu)形僅能適應(yīng)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(gòu)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(gòu)形的機器人，以適應(yīng)不同的工作．因此可重構(gòu)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(yīng)用的興趣，本文在分析了可重構(gòu)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(nèi)外研究狀況 國外對可重構(gòu)機器人系統(tǒng)已經(jīng)進行了大量的研究，目前已經(jīng)開發(fā)的模塊化機器人系統(tǒng)或可重構(gòu)機器人系統(tǒng)主要有兩類：一類是動態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)，另一類是靜態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)．動態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)有：Pamecha 和Chirikjian～“ 的構(gòu)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(shè)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(gòu)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(gòu)的能力．KotayC21]等人提出了分子（Mo[ecu[e）的概念，自重構(gòu)機器人的模塊稱為分子，分子是建立自重構(gòu)機器人的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)，是一種動態(tài)的自重構(gòu)系統(tǒng)．YimE 研究了一種動態(tài)可重構(gòu)移動機器人，不用輪子和履帶．而是通過稱為多邊形桿結(jié)構(gòu)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(gòu)形適應(yīng)不同的環(huán)境．Murata一 等人提出了一種三維自重構(gòu)結(jié)構(gòu)．其模塊為一種齊次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)．靜態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)有：Benhabih0。 的模塊化機器人，提出了基于遙驅(qū)動技術(shù)的模塊機器人單元，驅(qū)動方式類似于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，認為驅(qū)動部分太重，影啊模塊機器人的能力，雖然采用該驅(qū)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(gòu)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(guān)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(gòu)，并且考慮了軟件可重構(gòu)．Chen等人 的模塊化可重構(gòu)機器人．設(shè)計了模塊庫，并研究了構(gòu)形的設(shè)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(shè)計方面開發(fā)了一套軟件來實現(xiàn)構(gòu)形的設(shè)計．Hui 等人提出了一種 IRIS裝置，它是一種模塊化．可重構(gòu)和可擴展的機器人系統(tǒng)，該裝置具有2臺4-dof轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)機器人，每臺機器人均可重構(gòu)成各種構(gòu)形，每個關(guān)節(jié)由DC電機諧波減速驅(qū)動，并裝有位置．力矩傳感器，它的軟件也和硬件一樣設(shè)計成模塊化的、可擴展的和可重構(gòu) 的．Fuiita¨1 等人開發(fā)了一個可重構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(guān)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(gòu)成各種構(gòu)形的機器人，其運動學是在構(gòu)形確定的情況下進行的．Habibi_1 等人研究了可重構(gòu)液壓驅(qū)動工業(yè)機器人的設(shè)計問題．德國AMTEC公司生產(chǎn)的POWERCUBE 產(chǎn)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(chǎn)需要．Ji和Song： 提出了一種可重構(gòu)平臺機器人的設(shè)計．它主要針對并聯(lián)機器人的模塊化設(shè)計進行了研究． 從應(yīng)用范圍來看，動態(tài)可重構(gòu)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(gòu)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(gòu)機器人系統(tǒng)主要適用于工業(yè)機器人． 3 可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)的設(shè)計 可重構(gòu)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(wù)的機器人．因此可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能： （1）用戶應(yīng)能很方便地拆散和裝配各種模塊組成不同的機器人構(gòu)形滿足特定的工作要求； （2）構(gòu)造的機器人構(gòu)形使用的模塊數(shù)和模塊類型應(yīng)盡可能地少； （3）用戶對控制軟件的修改也不應(yīng)做復雜的操作； （4）裝配的模塊化機器人應(yīng)能立即工作，完成實際任務(wù)． 可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容是模塊的劃分和模塊的設(shè)計．模塊的劃分既要考慮可重構(gòu)模塊化機器人的應(yīng)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(yīng)是獨立的和自裝的； （2）每個模塊單元應(yīng)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(yīng)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(yīng)具有獨立性． 可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)是由一套模塊構(gòu)成的，目前對機械模塊的劃分主要分為基礎(chǔ)單元模塊、末端件模塊、連桿模塊、關(guān)節(jié)模塊（移動關(guān)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊、回轉(zhuǎn)關(guān)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(guān)節(jié)模塊、末端關(guān)節(jié)模塊等，其中連桿關(guān)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(gòu)造機械手的柔·陛，空心結(jié)構(gòu)能保證模塊的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量小，將基礎(chǔ)件也劃為該類模塊．主關(guān)節(jié)模塊叉可分為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)模塊，按其驅(qū)動方式分為R—Actuator—M 模塊（用于離基礎(chǔ)件較近的關(guān)節(jié)，它采用I）C電機，諧波減速驅(qū)動，重量大），R-Actuator1，Link M （用于離基礎(chǔ)件較遠的關(guān)節(jié)，動力不放在關(guān)節(jié)上，而是放在離基礎(chǔ)較近的地方通過傳動元件傳送給關(guān)節(jié)），P—Actuatot M（DC電機驅(qū)動的移動關(guān)節(jié)）．末端件關(guān)節(jié)也分為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)，R—Actuator—E和R—Actuator、Link—E，其驅(qū)動原理與主關(guān)節(jié)模塊原理相同．同時設(shè)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(chǔ)模塊．連桿模塊．三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊．一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊．基礎(chǔ)模塊和連桿模塊是無自由度的，關(guān)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(qū)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(shè)計，采用具有基 本功能的母板和特殊功能的子板，同時設(shè)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(shè)計的模塊化機器人系統(tǒng)中，僅考慮連桿模塊和關(guān)節(jié)模塊，關(guān)節(jié)模塊有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊．移動關(guān)節(jié)模塊．螺旋關(guān)節(jié)模塊和圓柱關(guān)節(jié)模塊．連桿模塊設(shè)計成立方體和長方體，其特點是多關(guān)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(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)模塊的基本功能應(yīng)包括以下幾個方面： （1）模塊應(yīng)具有自封裝的功能，完成某一特定的功能． （2）模塊應(yīng)具有驅(qū)動能力，完成特定的運動和動作． （3）模塊應(yīng)具有通訊能力．以便各模塊能協(xié)調(diào)的工作． （4）模塊應(yīng)具有數(shù)據(jù)處理能力． 4 可重構(gòu)模塊化機器人的構(gòu)形設(shè)計 可重構(gòu)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(gòu)模塊化機器人構(gòu)形設(shè)計的目的就是如何找到一個最優(yōu)的裝配構(gòu)形來完成給定的工作． 可重構(gòu)模塊化機器人構(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)形的表達方法；其次就是確定構(gòu)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(wù)的最優(yōu)構(gòu)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(guān)系用裝配關(guān)聯(lián)矩陣來表達，建立了裝配構(gòu)形評價函數(shù)：是模塊機器人裝配構(gòu)形 的結(jié)構(gòu)性能．A是一個裝配關(guān)聯(lián)矩陣， 為任務(wù)評價標準，表達任務(wù)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(gòu)形．Paredis r 等人根據(jù)運動學設(shè)計任務(wù)的要求（即可達性、關(guān)節(jié)在極限范圍內(nèi)運動和避障的要求），僅考慮轉(zhuǎn)動關(guān)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(gòu)形的優(yōu)化．ChocronEo3和Hanr” 采用遺傳算法進行模塊化機器人的構(gòu)形設(shè)計． 5 可重構(gòu)模塊化機器人的運動學和動力學 可重構(gòu)模塊化機器人的運動學和動力學的產(chǎn)生也與傳統(tǒng)機器人的運動學動力學不同，要求在構(gòu)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(shù)，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(zhuǎn)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(guān)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(gòu)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(gòu)模塊化機器人的控制系統(tǒng)軟件 可重構(gòu)機器人既要實現(xiàn)硬件的可重構(gòu)．同時實時控制軟件也必須是可重構(gòu)的，這樣才能適應(yīng)機器人應(yīng)用范圍的快速變化．為了實現(xiàn)軟件的可重構(gòu)，必須要解決可重構(gòu)軟件模塊庫的開發(fā)和這些模塊根據(jù)硬件構(gòu)形和控制任務(wù)自動集成的問題．在計算機軟件工程領(lǐng)域，對軟件的重用進行了大量的研究，但對可重構(gòu)軟件的研究并不多．在可重構(gòu)機器人控制軟件可重構(gòu)方面的研究也較少 Khosla口 等人使用基于端口的對象設(shè)計了一個動態(tài)可重構(gòu)實時軟件和基于傳感器實時系統(tǒng)的多層人機界面，并應(yīng)用到可重構(gòu)模塊化機器人中． 7 可重構(gòu)模塊化機器人研究方向 綜上所述，可重構(gòu)模塊化機器人系統(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)模塊化機器人系統(tǒng)中模塊的功能．設(shè)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(shè)計，軟、硬件模塊自動或快速連接方法的研究． （2）可重構(gòu)模塊化機器人的構(gòu)形設(shè)計．包括機器人所需完成任務(wù)描述方法的研究，機器人構(gòu)形表達方法的研究，機器人最優(yōu)構(gòu)形生成方法的研究． （3）可重構(gòu)模塊化機器人的運動學和動力學研究應(yīng)主要考慮軟件的可重構(gòu)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(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)的可重構(gòu)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(gòu)方法的研究．