自重构模块机器人ppt课件.ppt

自重构模块机器人,课程：仿生机器人导论,自重构机器人的简介,自重构机器人的研究现状,自重构机器人的研究内容,点阵晶格型自重构机器人结构简述,什么是自重构机器人？,自重构机器人是能根据环境和任务而改变自身结构或者形状的机器人，通常还被冠以“可变形机器人”。由于自重构机器人多数由模块化结构组成，还被称为“自重构模块机器人”。自重构模块机器人其核心思想是模块化设计，由一系列具有一定功能的模块组成，这些模块的结构可以完全相同，也可以不尽相同。为什么要开发自重构机器人？,通过太阳能电池板发电，并将电能储存在蓄电池中 行驶穿越各种地形 拍摄照片 钻探 利用分光仪记录下温度、化学成分、X射线以及alpha粒子 用无线电波将记录的数据传回地球,为什么要开发自重构机器人？,自重构模块机器人的优点,自重构模块机器人可以在动态环境中完成不可预知的作业任务，打破了单台机器人结构和系统功能的限制。适应性（多样性）：根据环境和任务的变化而构成不同构形可靠性：模块互换扩展性：规模可控经济性：大规模生产,自重构模块机器人的分类,结构重组自重构机器人：由组成机器人各个部件连接方式的重新组合而实现机器人数量和构形的相对变化，可以通过重新组织其机械和电气等部分而形成一个新的实体来适应不同的任务或环境。具有较好的灵活性，但其系统的复杂性也随之增加关节运动可变形机器人：通常是由多个相同或互异的模块组成的多冗余结构，由连接机器人构件的关节的运动而引起机器人构形的相对变化。系统通常不存在连接和断开的情况，因此可控性、稳定性均比较好,自重构模块机器人的分类,链式：模块具有链状或树状的分支结构，拓扑结构比较简单，不含回路或者只有少量的简单回路。根据链的数目和连接点的不同，这些机器人可以模拟蛇或蜘蛛的结构。它们也可以变成滚动的环状或者双足行走机器人。网格式：二维或三维空间的联通或填充式网格结构，拓扑结构比较复杂，容易产生干涉。,自重构模块机器人的分类,同构模块自重构机器人异构模块自重构机器人,国外,RMMS,1988年，卡内基梅隆大学机器人研究所,六个关节模块、六个连杆模块和一台具有实时能力的计算机组成的控制器,国外,Poly Bot,美国施乐公司Palo Alto研究中心的研究者Yim等人开发,每个模块重416克，采用无刷直流电机驱动，电机装有霍尔效应传感器，处理单元采用Motorola PowerPC 555 加1兆外部RAM，分辨率为0.45度,国外,M-TRAN,日本产业技术综合研究所AIST研制,应用：行星探查，隧道与通风管的检查以及各种狭窄环境的救援搜索。,国外,Vertical,日本理化学研究所Hosokowa等研制,在攀爬阶梯状结构时能够通过重构来抵抗重力。每个模块的主体是一个边长为90mm的立方体，模块的手臂通过旋转和滑动两种动作来改变模块间的连接配置。潜在应用：组建桥式结构，连接裂缝处或断裂处来运输货物,国外,ATRON,南丹麦大学研制,ATRON是由许多直径为11厘米的相同圆形组件构成。每个组件从中间劈开，上面的发动机能让它旋转一周。能通过在尾巴上的连接器锁在一起，许多这样的模块连在一起产生的协同运动让机器人能改变外形并向前移动。机器人的每个组件中还植有计算机，通过红外线互相联系。为完成任务，这些模块共享数据并共同计算,国外,SWARM-BOT,比利时布鲁塞尔大学Swarmanoid项目,由多个自主运动的移动机器人S-bots组成，每个S-bot总高19cm，直径12cm，总重量大约700g。可以实现自主导航、感知环境、抓取物体等。S-bots之间可以相互通信，连接成SWARM-BOT机器人，SWARM-BOT机器人具有更好的环境适应性，承载能力也更强。,国外,Roombot,瑞士洛桑理工学院生物机器人研究室研发,每个 Roombot 都由4个约22cm的半圆球面组成，中央配置三款马达。任一个Roombot都能以4个半球面连结到其他Roombot，每个球面配备可伸缩夹。这些夹具可连接到被动元件，如桌面、墙壁或地板或甚至松开。Roombot由模仿动物运动神经网络算法的机器控制。智能机器会从周围环境收集传感的数据，了解用户的需求，然后根据需求进行变形，,国内,理论研究方面：天津大学 产品模块化设计中的模块选择算法，提出了一种对各属性因素进行综合定量考虑的“最相似模块”查找算法北京航空航天大学 提出了9-DOF模块化机器人的运动学反解问题并应用螺旋理论，得出在给定末端位姿下的全部关节角上海交通大学 建立在全离散的局部智能基础上的自重构机器人的组织变性策略，通过建立统一的模块运动规则和规则进化使机器人由局部自主运动产生全局系统自组织的结果。中国科学院沈阳自动化研究所 适用于新型可重构星球机器人的模块化控制系统，建立具有任务层和运动层的分层次控制结构，实现了组合式规划、分布式控制的混合式控制方法东北大学 采用DH矩阵方法对可重构模块化机器人正运动学进行分析，得出机器人末端执行器的位姿矩阵哈尔滨工业大学 采用遗传算法和迭代算法分两级搜索对机器人构形组合进行优化设计,国内,中国科学院沈阳自动化研究所,链式模块化变形机器人,具有手动可重构和自动可重构的特点，每个模块由本体，连接杆和偏置关节组成，模块间的连接是固定的，不能脱离，利用连接模块的偏置关节的运动可以实现相对位置的改变,自重构模块机器人的变形机理,变形原理,自重构模块机器人的变形机理,新型可变链式结构,特点：不论模块的多少，总能通过链接关节的运动而变形以得到多种对称的构形，比如直线形和并排形,控制方案,1.仰俯关节电位计；2.连接臂；3.仰俯关节链传动；4.带轮；5.仰俯关节电机；6.控制器；7.驱动器；8.腔体；9.偏转关节电位计；10.偏转关节锥齿轮传动；11.履带驱动电机；12.偏转关节电机；13.履带驱动链传动；14.履带,执行单元由单片机、CAN总线驱动器、电机控制器、直流电机以及电位计构成.通过单片机上的A /D转换模块,执行单元的单片机能够实时地采集各关节的角度值。执行单元可以主动地掌握各个关节角的详细信息,并通过CAN总线传递给主控单元,以便于主控单元进行全局规划。为了实现控制系统的模块化，各执行单元构造完全相同，使整个系统具有良好的可扩展性。,执行单元,控制方案,上层的PC是监控平台，它与控制系统的主控单元通过无线射频模块进行通信。监控平台不仅向控制系统发送各种指令，同时还接收控制系统向上返回的机器人状态信息（包括机器人的形状、各关节角度以及各电机消耗的电流值等）。而主控单元通过CAN总线将各个分散的执行单元连接起来，形成一个有机的整体。,控制系统,国内,北京航空航天大学,Sambot,国内,上海交通大学,USS（underwater self-reconfigurable system）,第一代：链式模块化自重构机器人，运动空间是二维的，能组成链状和环状，只能在二维平面内运动和进行构形变换。第二代：增加了一个根模块，有多个被动连接面，可以构成章鱼构形和四足构形等，还可以实现正交对接，实现构形的3D变换。,USS机器人设计深度为10m，外壳由有机玻璃制造，主要验证水下自重构机器人概念的可行性并建立一套分布式的USS机器人控制系统。USS机器人涉及水下密封、水下光电导引、水中姿态调整以及水下机械、电气连接等技术，研究难度远大于陆地自重构机器人系统。目前USS机器人已经完成了各种构形的实验，建立起了一套使用的集中式USS机器人控制系统和控制算法，分布式的USS机器人控制系统和控制算法也在研究当中。,自重构模块机器人的主要研究内容概述,机器人间的系统重组问题机器人间的协调作业问题,独立性能动性标准化,系列化智能化系统优化,构形评价,构形优化设计,运动形态和步态的生成构形间的互相转化,模块的划分和设计（最重要，最基础）模块的功能模块的通信,建立模块或者局部系统的运动学模型或者动力学模型单元，将多冗余度系统转换成低冗余度系统，同时模型单元和模型单元之间存在接口，在实际需要时进行模型单元的组合，实现系统的建模根据构形的拓扑特征，对构形进行分类，同类型的构形采用某一类运动学模型，所有的这些模型形成模型库，根据实际系统的构形来选择模型,集中式控制方法（降低了鲁棒性，增加了计算量）分布式控制方法（增加了鲁棒性和系统复杂性）,自重构模块机器人的研究方向,自重构模块机器人结构简述,1. 基本单元模块设计,每个模块具有12个自由度，其中6个自由度为连接面的旋转运动，另外6个自由度为连接面的分离和连接。外观为铝合金材料制成的边长为23cm的立方体形状，立方体的每一个面上都安装有一个直径为12.7cm的圆盘形连接面装置，每个连接面上有一根轴和一个孔。,自重构模块机器人模块简述,箱体1，齿轮组2，传动轴3，离合装置4，电机5，连接面装置6，三个大锥形齿轮7，8，9，两个小锥齿轮10，11，一个小齿轮12，一个联体齿轮13，第一、第二，第三以及第四输出轴14，15，16，17。,自重构模块机器人结构简述,2. 内部传递原理,自重构模块机器人结构简述,3. 连接面装置的设计,固定面18，连接面19，伸出轴20，两个支撑轴21，连接轴22，连接孔23，滚珠，销子以及一对红外线传感器。,固定面固定在箱体的每个面上，通过两个支撑轴与连接面相连。伸出轴一端与齿轮组的输出轴通过离合器来连接，另一端与连接面相连。连接轴和孔设置在连接面的两端，连接轴为空心轴，轴的侧壁均匀的开有3个球孔，放入3个滚珠。销子位于连接轴中。,自重构机器人模块间对接位姿的调整,链式与网格式,自重构机器人模块间对接位姿的调整,1. 模块旋转到位阶段,自重构机器人模块间对接位姿的调整,2. 模块微调对中阶段,经过第一个步骤后，两个需要对接的面已经基本处于可以连接的位置，但由于存在加工制造等误差，这样会导致两个模块的中心线并没有完全重合，而且面上的孔和轴也可能没有完全对准（电机旋转并没有完全到位），如果强行对接会造成模块之间卡死。因此利用每个模块连接面上设置的红外线传感器来检测并修正对接过程中的微小误差。为了保证相邻模块的两个连接面可以顺利对接，发射器和接收器于x轴对称分布，并且发射器（接收器）所处位置与原点的连线和x轴成45度角，收发装置放在中心轴线的一侧是为了能方便的检测出相邻模块的相对位姿关系。,自重构机器人模块间对接位姿的调整,3. 模块插入锁紧阶段,通过以上两个步骤，轴、孔已经完全对准，驱动两个对接面做直线运动便可以使得轴、销前进，销子顶住滚珠，轴孔实现配合、轴卡在孔中而锁紧连接面。同理，当两个连接面需要脱离连接时，只需要反向运动，轴、销退回，而使轴、孔分离，两对接的连接面相互脱离。,展望,理论上来说，采用更小模块，系统的形态和功能会有更精细的分辨率，能源消耗和重量比也会趋于完善，但模块本身的机械装置的物理局限性又使我们不得不考虑我们究竟能把模块做小到什么程度。,限制模块数量的部分原因是生产成本高，本质上是模块可靠性的限制如链接机构、通信通道以及电源供应链接的可靠性。如果是通过电力驱动建立的链接关系，那么必须处理噪声和压降的问题。而且，随着模块数量的增加，软件开发、编程和调试的难度也随着增加,大部分自重构模块机器人模块在初始状态时是连接在一起的，并且构形转换是通过增加连接的变换关系实现的。优点在于链接机构要求的自由度可以减少，缺点是很难通过这种方式建立一个随机分散的系统模块。,重点是验证自重构模块机器人平台的多功能性和控制算法等。然而自重构模块机器人包含大量的冗余硬件，而且每个关节都有驱动器，因此不适于研究移动和操作，但是如果对移动和操作的研究能够从根本上提升系统的自治权，那么研究就是有意义的。这方面目前主要有两个方面的挑战：三维分布式的移动和操作、集体驱动,构形转换是整个系统的核心。自重构不仅是硬件面临挑战，软件方面也面临挑战。到目前为止，还没有出现真正意义上的重构算法。实现自重构模块机器人从损坏状态自我恢复的能力最大的挑战之一就是如何创建利用这种能力的可行的算法,对单个机器人来讲，有限的资源被多个模块分享。机器人的发展受到能源，尺寸，转矩和其他资源的限制。其中一个主要挑战是提高模块的电池密度和燃料存储能力。,Thank you,