可重构模块化机器人系统关键技术研究

机电一体化产品设计的智能化、柔性化、个性化已成为当前产品开发的主要发展方向。可重构模块化机器人系统(Reconfigurable modular robot system, RMRS)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,能根据用户需求构成不同自由度和构型的机器人系统,能适应多种多样的任务需求和应用场合。可重构模块化设计不仅面向制造者,也是面向用户的,用户更容易按需定制,对构型进行自由设计、构造,具有更大的灵活性。对可重构机器人的构型设计、运动学、动力学、路径规划、轨迹规划及分布式控制系统等相关关键技术进行研究,使之进一步得到实用化,具有重要的理论和应用价值。 可重构模块化机器人系统的适应性和可重构性取决于模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力。在对机器人的模块进行合理划分的基础上,设计了一套由关节模块、连杆模块、夹持器模块及快速连接模块等构成的实验模块系统。将关节模块设计成集驱动、传动、控制及通信于一体的智能单元。在智能设计系统开发工具上开发了构型设计系统,以人机交互方式辅助实现构型的设计,采用层次分析法对构型设计方案进行评价和决策。 由于可重构机器人构型的多样性,研究其运动学逆解的通用计算方法是应用中的关键问题。采用运动旋量和指数积公式建立可重构机器人的运动学模型,系统地分析指数积公式的化简方法、运动学逆解子问题的分类及其计算方法,为可重构机器人封闭形式的运动学逆解的自动生成提供一种可分解的计算方法,降低了求解的复杂性;由于并不是所有的构型都有封闭解,研究了基于雅可比矩阵的通用数值迭代法计算运动学逆解。采用降维搜索和二分法计算工作空间的边界点,并提出采用双向链表确定工作空间多连域截面封闭曲线的算法,实现了可重构机器人三维工作空间的自动计算。 在运动螺旋与力螺旋的基础上,采用拉格朗日方程对可重构机器人进行动力学分析。将运动螺旋表示的指数积公式、雅可比矩阵,以及力螺旋及其变换应用到动力学的拉格朗日方程中,得到封闭显式的拉格朗日方程,可以分析复杂的受力情况,使可重构机器人系统的动力学计算形式简洁,易于程序化实现;便于进行构型的设计、校验以及控制系统的分析与综合。 讨论了多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题。提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的算法,结合数值人工势场提供的特征信息,采用遗传算法在关节空间进行分段路径规划,提高了计算效率和路径规划的质量,适合可重构机器人各种构型的路径规划。轨迹规划可以在笛卡尔空间进行,也可以在关节空间进行,但路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的,而关节驱动是在关节坐标中受控制的,因此提出了一种满足笛卡尔空间与关节空间混合约束的机器人平面曲线轨迹规划方法。根据规划的轨迹与要求的轨迹的偏离情况,非均匀地插入控制节点,通过增加有限的控制节点,来有效地控制偏差,减少计算量。 由于可重构机器人的关节设计成智能关节,以及其自由度、构型的多样性,控制系统采用分布式控制系统。整个控制系统由三个子控制层组成。第一层为路径规划控制层,实现作业过程规划和路径指定;第二层为轨迹规划层,规划各关节的时基关节变量,产生各关节的运动指令,通过RS-485网络,采用Modbus协议,分发给各关节控制器;第三层为关节控制层,接收上位机的指令,完成各关节的运动控制。设计了各关节的控制器及驱动器硬件电路,各关节采用基于Anti-windup校正的PID控制器实现了带速度环和位置环的关节位置控制。最后通过可重构机器人系统的综合实验,验证了系统设计合理,能稳定可靠地运行,达到预期的目标。