模塊化機器人平臺設(shè)計

1、模塊化機器人平臺設(shè)計隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療、教育及家庭服務(wù)等領(lǐng)域。然而受到通用性和成本等因素的制約，人們所期望的機器人在各行各業(yè)中的普及未能很好地實現(xiàn)。從理論上而言，機器人是一種可編程的多功能柔性設(shè)備，能夠通過改變自身的程序來滿足不同工作任務(wù)的要求，但實際上機器人基本上都是根據(jù)特定的任務(wù)來開發(fā)的，具有固定的結(jié)構(gòu)和功能，并且使用的工作環(huán)境也被限制在一定的范圍內(nèi)，無形中增加了使用的成本，阻礙了其在應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。解決以上問題的根本方法是改變傳統(tǒng)的機器人設(shè)計思想。模塊化作為一種新的設(shè)計方法和思維方式，已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計中。模塊化技術(shù)應(yīng)用于機器人領(lǐng)域開始于20世

2、紀80年代，模塊化機器人平臺由一套具有不同尺寸和性能特征的模塊組成，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。相比傳統(tǒng)機器人,模塊化機器人具有柔性高、容錯性強和自修復(fù)能力強、成本低等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外眾多的科研機構(gòu)、公司都投入到模塊化機器人的研究、設(shè)計、制造當中。但現(xiàn)有的模塊化機器人平臺或多或少存在以下缺陷：（1）模塊類型單一，能夠搭建的機器人系統(tǒng)少；（2）模塊的價格昂貴；（3）主動模塊的輸出力矩小，系統(tǒng)的性能不高；（4）沒有完全實現(xiàn)硬件與軟件的模塊化以及硬件模塊與軟件模塊的對應(yīng)。筆者所在實驗室針對以上缺點，開發(fā)了一個新的多用途、低成本的模塊化機器人平臺。文中主要介紹了模塊化機器人

3、平臺硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計及特定功能機器人系統(tǒng)的構(gòu)建，并通過實驗驗證了該模塊化設(shè)計方法的可行性。1系統(tǒng)設(shè)計模塊化機器人平臺的設(shè)計包括3個層次：總體設(shè)計、模塊設(shè)計及模塊化產(chǎn)品設(shè)計，其中總體設(shè)計包括模塊分解以及模塊連接兩個方面。1.1模塊分解根據(jù)模塊的定義，模塊是具有某種確定功能的獨立單元。功能是構(gòu)成模塊的依據(jù)，也是進行系統(tǒng)分解的依據(jù)。模塊可以按其物理功能（例如機械、電氣、軟件）為單元構(gòu)成，也可按系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)為單元構(gòu)成。機器人作為一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，涉及機械、電子、控制、軟件等領(lǐng)域。因此，以機械結(jié)構(gòu)為依據(jù)、其它各種功能模塊以機械結(jié)構(gòu)模塊為載體參與到系統(tǒng)，是一種理想的模塊分解方法。通常，模塊化產(chǎn)品的

4、構(gòu)成模式可用一個簡單的公式表達：新產(chǎn)品（系統(tǒng)）=通用模塊（不變部分）+專用模塊（變動部分）。根據(jù)上述依據(jù)和思想以及機器人結(jié)構(gòu)的特點，文中將模塊化機器人平臺分解成關(guān)節(jié)模塊（即通用模塊）和功能模塊（即專用模塊）。模塊化機器人平臺的系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。遇攥作）匸二|（ZIZZ上柱機遇攥作）匸二|（ZIZZ上柱機關(guān)節(jié)模塊是構(gòu)建模塊化機器人的基礎(chǔ)，其設(shè)計遵循以下原則：獨立性，每個模塊都是一個獨立的機電系統(tǒng)，包含傳動裝置、驅(qū)動裝置、傳感系統(tǒng)以及通信接口；完整性，每個模塊都可以單獨地實現(xiàn)運動控制和力矩控制；可集成性，多個模塊可以在上層控制器（上位機）控制下組成特定的分布式系統(tǒng)，協(xié)調(diào)、有序地實現(xiàn)特定功能。功能

5、模塊是為擴展特定系統(tǒng)設(shè)計的輔助單元，目前針對不同的機器人系統(tǒng)開發(fā)了用于雙足步行和輪式移動的足/輪模塊、用于爬壁機器人的吸附模塊以及用于遙操作的Joystick模塊等幾個功能模塊。1.2模塊連接通常，一個模塊化機器人系統(tǒng)是由多個模塊組成，因此必須設(shè)計各個模塊之間的連接方式。模塊間的連接又包括兩個層面，一個是機械結(jié)構(gòu)層面的連接，另一個是模塊間的通信。機械結(jié)構(gòu)的連接采用卡環(huán)加定位銷的方式，既可以實現(xiàn)模塊的快速安裝、拆卸（通常安裝、拆卸一個模塊只需十幾秒），又可以保證各個模塊之間的安裝精度。模塊間的通信通過CAN總線方式，通信協(xié)議采用CANopen。每個關(guān)節(jié)模塊、吸附模塊以及夾持器模塊都是總線上的一個

6、節(jié)點，都有一個唯一的節(jié)點號（1-128）。上位機通過一個USBtoCAN轉(zhuǎn)換器與各模塊節(jié)點通信。2硬件設(shè)計2.1關(guān)節(jié)模塊根據(jù)模塊化設(shè)計的一般原則以及模塊化機器人的特點，設(shè)計了兩種關(guān)節(jié)模塊：回轉(zhuǎn)模塊和擺動模塊。兩者都具有一個自由度，機械安裝接口相同且可以互相替換。其中回轉(zhuǎn)模塊其轉(zhuǎn)軸與模塊自身中心軸線重合或平行，稱之為I型模塊；擺動模塊的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與模塊連接軸線垂直，稱之為T型模塊。I型模塊和T型模塊采用直流伺服電機作為驅(qū)動裝置，電機額定輸出功率150W,電機自身帶有MR-L1024編碼器，通過PI控制，可以實現(xiàn)精確的位置模式和速度模式控制。電機輸出軸經(jīng)過諧波減速器和內(nèi)齒輪/錐齒輪（內(nèi)齒輪用于I型模

7、塊，錐齒輪用于T型模塊）兩級減速后驅(qū)動模塊的關(guān)節(jié)軸。這種兩級減速方式具有驅(qū)動力矩大（I型模塊的最大輸出扭矩為150Nm,T型模塊的最大輸出扭矩為120Nm）、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、精度高等優(yōu)點。I型模塊和T型模塊的零位檢測和限位開關(guān)采用霍爾傳感器。在指定的位置（零點、限位點）安裝小的磁鋼，通過檢測霍爾傳感器輸出電壓的變化可以檢測出磁鋼的安裝位置。霍爾傳感器結(jié)構(gòu)輕巧（傳感器的大小為1.5mmX3mmX4mm，磁鋼的直徑為4mm，安裝方便，控制簡單，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計。由于I型模塊的轉(zhuǎn)動范圍為-180。+180，因此只需設(shè)計零位裝置；T型模塊的轉(zhuǎn)動范圍為-110。+110，因此需要設(shè)計零位檢測和正、反兩

8、個方向的限位開關(guān)。單個I型模塊和T型模塊的驅(qū)動采用Copley公司的AccelnetMicro驅(qū)動器，該驅(qū)動器不但可以實現(xiàn)驅(qū)動功能，還具有運動控制功能，同時結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在模塊內(nèi)。通過對模塊化平臺近3年的測試、使用，發(fā)現(xiàn)I型模塊和T型模塊在機械結(jié)構(gòu)方面存在一些缺陷，因此對其進行了改進。改進后平臺更輕，尺寸更緊湊，安裝更方便。T型模塊和I型模塊的長度分別從原來的250、190mm縮短到238、165mm，質(zhì)量也從3.5kg降低到2.5kg，改進后的模塊實物圖如圖2所示。2.2夾持器模塊抓取操作是眾多機器人具有的能力，因此將夾持器模塊設(shè)計為模塊化平臺的一個功能模塊，如圖3所示。它由兩個手指組成，

9、手指由盤式電機，諧波減速器，蝸輪蝸桿以及四桿機構(gòu)構(gòu)成的傳動裝置驅(qū)動其張開和閉合。由于這種傳動裝置具有較大的減速比，夾持器的最大夾持力可達300N，盤式電機上自帶的霜爾傳感器可以實現(xiàn)夾持器的速度控制模式，同時，在兩個手指的接觸面安裝了壓力傳感器（FSR）以實現(xiàn)手指與物體接觸時的力控制模式。此外，為了保證夾持器可以夾持不同大小、不同形狀的物體，在夾持器手指上設(shè)計額V型槽，V型槽可以夾持圓柱形和球體，手指上的平面可以夾持立方體，兩者相結(jié)合可以夾持更多種類的物體。2.3吸附模塊吸附模塊是從于負壓吸附原理設(shè)計的，也作為模塊化平臺的一個功能模塊，如圖4所示。它主要由3個聚氨酯吸盤、真空泵、壓力傳感器、兩位

10、三通電磁閥、單向閥、支撐架和若干快接插頭及氣管等組成。3個吸盤呈正三角形布置，可有效增大爬壁機器人的抗傾覆力矩，減少因吸盤變形而帶來的爬壁機器人本體傾斜問題。吸附模塊內(nèi)含DSP控制器，響應(yīng)上位機的指令，通過真空泵和電磁閥的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)吸附和脫吸附，并由壓力傳感器實時檢測和返回吸盤內(nèi)腔的真空度。該吸附模塊極限真空度為-75kPa,可產(chǎn)生垂直于被吸附面的約1800N的吸附力。它既可作為爬壁機器人的吸附足，也可作為機械臂的末端執(zhí)行器。2.4輪/足模塊輪子廣泛應(yīng)用于輪式移動機器人，此外還可用作一些特殊步行機器人的足部。當被用作足部模塊時，輪子的側(cè)面與地面接觸，轉(zhuǎn)動軸與地面垂；用于輪式移動機器人的車輪

11、模塊由輪子和輪軸組成，輪軸穿過輪子的中心孔，在軸端用墊片和螺母固定，另一端與關(guān)節(jié)模塊通過卡環(huán)實現(xiàn)連接和緊固，用于步行機器人的足部模塊由輪子、力/力矩傳感器以及連接器組成。力/力矩傳感器采用ATIMINI45,可同時測量3個方向的力和力矩，進而計算出雙足步行時實際的ZMP點，判斷出任意時刻步行的穩(wěn)定性。2.5遙操作模塊通常，機器人系統(tǒng)在真實環(huán)境中完全自主工作仍然是比較困難的，大多數(shù)情況下需要人工輔助操作。Joystick遙操作模塊可以幫助人們更簡單、直觀的操控機器人系統(tǒng)。Joystick模塊通過USB接口與上位機連接，Joystick上的搖桿及按鍵可以映射到上位機上的操作指令。Joystick模

12、塊選用CyborgX搖桿，其提供高精度的x軸、y軸、z軸以及11個功能按鍵，可以方便地實現(xiàn)機器人的位姿控制以及控制指令發(fā)送。3軟件設(shè)計由于硬件的可重構(gòu)設(shè)計，不同構(gòu)形的機器人可以實現(xiàn)不同的功能，因此需要對其進行相應(yīng)的軟件設(shè)計。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計方法開發(fā)周期長，維護成本高，無法滿足可重構(gòu)機器人快速、靈活的特點。采用模塊化設(shè)計的思想可以很好地解決這一難題。極據(jù)“信息隱藏”的原則，復(fù)雜的軟件系統(tǒng)可以分解為多個獨立的模塊，這種模塊化分解的優(yōu)點是各個獨立的模塊可以單獨設(shè)計和修改，模塊的分解應(yīng)該遵街以下原則：各個模塊應(yīng)該功能明確、簡單易懂；一個模塊的修改不影響其它模塊(即不改變對外接口)以及自身功能的實現(xiàn)；一個

13、模塊可以由多個子模塊組成；只需對相關(guān)模塊進行修改即可實現(xiàn)整體軟件的修改。按照以上原則，整個軟件系統(tǒng)可以分成多個模塊，當模塊的數(shù)量較少(小于10個)時，整個軟件的架構(gòu)清晰，便于各個模塊的設(shè)計和維護；但是當模塊的數(shù)最較多(大于10個)時，各個模塊之間的內(nèi)在關(guān)系錯綜復(fù)雜，給模塊的接口設(shè)計提出巨大的挑戰(zhàn)。同時，維護人員在進行軟件維護時，必須先理清軟件的構(gòu)架、增加了軟件的維護成本，這與模塊化設(shè)計的初衷相悖。解決上述問題的有效方法是將整個軟件分成一定的層次，每個層次由數(shù)量及規(guī)模適中的模塊組成，這種有適當數(shù)量模塊的層級結(jié)構(gòu)可以使整個軟件構(gòu)架簡單明了。根據(jù)整個系統(tǒng)的特點以及軟件與硬件之間的接口，將整個軟件構(gòu)架

14、分解成3層，即系統(tǒng)層、功能層及通信層。系統(tǒng)層是根據(jù)機器人系統(tǒng)的特點選擇需要的功能模塊、再加上該機器人系統(tǒng)特有的算法模塊構(gòu)建的應(yīng)用模塊。系統(tǒng)層中的每個模塊對應(yīng)軟件平臺上的一個窗口程序，模塊化平臺軟件主界面如圖5(a)所示；功能層是構(gòu)建不同機器人系統(tǒng)軟件所需的各種基本模塊，其中的單模塊是整個軟件的核心，對應(yīng)硬件上的一個關(guān)節(jié)模塊，構(gòu)建不同的機器人系統(tǒng)，硬件上以關(guān)節(jié)模塊為基本組成單元，軟件上以單模塊作為基本組成單元，單模塊的軟件界面如圖5(b)所示；通信層的功能是實現(xiàn)各個模塊與上位機的通信，即上位機向各個模塊發(fā)送指令以及各個模塊實時向上位機反饋運行狀態(tài)。3.1通信模塊各個模塊之間的通信由CAN總線實現(xiàn)

15、，由于各個節(jié)點可能是不同公司的CAN產(chǎn)品，CAN接口會因為硬件參數(shù)的不同有差異，為使接口程序可以與不同類型的硬件相兼容，這里首先創(chuàng)建一個抽象CAN接口類，對于特定型號的硬件可以將此抽象類實例化，其它與硬件相關(guān)的接口都采用類似的設(shè)計方法，以提高軟件的健壯性。3.2運動學(xué)模塊對于不同構(gòu)形的機器人，要完成一定的任務(wù)時必須對其進行運動規(guī)劃，需要進行相關(guān)的運動學(xué)計算。目前，用該硬件平臺搭建的系統(tǒng)都是串聯(lián)系統(tǒng)，且系統(tǒng)的自由度不超過6，因此，可以使用D-H法進行正運動學(xué)和逆運動學(xué)的計算，其中正運動學(xué)用于系統(tǒng)的仿真以及圖像顯示，逆運動學(xué)用于系統(tǒng)的控制。3.3動力學(xué)模塊對于實現(xiàn)給定任務(wù)的特定構(gòu)形的機器人，例如雙

16、足步行機器人、爬桿機器人和爬壁機器人，有時還要考慮系統(tǒng)的動力學(xué)效應(yīng)。根據(jù)牛頓-歐拉迭代算法可以實現(xiàn)各個關(guān)節(jié)之間力和力矩的計算，且該算法具有很高的實時性，本系統(tǒng)的動力學(xué)模塊在WindowsXP系統(tǒng)中，使用VC3.0環(huán)境，給定一組關(guān)節(jié)模塊的角度、加速度和角加速度信息，計算關(guān)節(jié)之間的力和力矩僅需0.83ms。3.4人機接口人機接口的主要功能是Joystick與上位機控制指令之間的映射。這包括打開Joystick、獲取Joystick鍵值、鍵值與上位機指令之間的解碼以及關(guān)閉Joystick操作等。Joystick的輸入與機器人位姿的映射是人機接口的核心，對于不同構(gòu)型的機器人需要在滿足操作者習(xí)慣的前提下

17、實時進行逆運動學(xué)的求解，實現(xiàn)輸入與輸出的對應(yīng)。3.5運動控制模塊運動控制模塊主要是實現(xiàn)單模塊和多模塊的點到點運動、連續(xù)軌跡運動。點到點的運動采用S曲線加減速和T曲線加減速方法，這些算法都較為成熟。多軸連續(xù)軌跡運動(多軸聯(lián)動)是目前運動控制領(lǐng)域的熱點。設(shè)計中采用PVT的方法實現(xiàn)單軸的連續(xù)軌跡運動，即給定一組位置(P)、終點速度(V)和運動時間(T)值，執(zhí)行一個運動，確保速度、加速度光滑連續(xù)地變化，每段PVT的生成方法是算法的核心。對于多軸聯(lián)動，采用了比例的方法，即首先選取一個關(guān)節(jié)軸計算出其PVT并作為基準，分別以其它軸的運動距離和基準軸的運動距離之比為系數(shù)計算相應(yīng)軸的PVT。3.6機器人系統(tǒng)模塊

18、對于特定功能的機器人，設(shè)計了不同的應(yīng)用模塊，目前的應(yīng)用模塊有操作臂模塊、輪式移動機器人模塊、雙足步行機器人模塊、爬桿機器人模塊以及爬壁機器人模塊。這些機器人系統(tǒng)模塊都是在基本功能模塊的基礎(chǔ)上再加上陣對該機器人特有的行為而設(shè)計的算法模塊。以雙足步行機器人系統(tǒng)模塊為例，它是從運動學(xué)模塊、動力學(xué)模塊、單關(guān)節(jié)模塊、雙足步行穩(wěn)定性模塊和步行模式生成模塊組成的。4基于模塊化機器人平臺的集成使用該模塊化平臺可以設(shè)計出不同類型的模塊化機器人系統(tǒng)。目前，筆者所在實驗室已通過該平臺搭建了以下幾種不同的機器人系統(tǒng)，并對部分系統(tǒng)進行了實驗。4.1操作臂通過I型模塊、T型模塊、基座以及末端執(zhí)行器可以構(gòu)建不同自由度的操作臂，它既可以按預(yù)先規(guī)劃好的軌跡連續(xù)運動，又可以通過遙操作實時控制。由于能搭建不同構(gòu)形的操作臂，因而可以滿足各種科研要求。圖6(a)為五自由度操作臂畫圖實驗，圖6(b)為倒水實驗。目前，改進后的系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)精度有了很大的提高，有望應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。4.2雙足步行機器人仿人機器人是機器人研究的熱點，其中，雙足步行研究更是