李晓斌[1]2004年在《模块化可重组机器人分布式控制系统设计》文中进行了进一步梳理本文为模块化可重组机器人设计了一套分布式控制系统,并且在此基础上实现了机器人的自动对接,为以后继续研究模块化可重组机器人的自动重组技术奠定了基础。 首先,本文介绍了模块化可重组机器人的概念、特点、发展状况以及应用前景等,它具有模块化、可重组的鲜明特点,代表了机器人发展的一个前沿方向。传统的机器人控制系统不适合模块化可重组机器人,本文为它构建了适合其特点的控制系统——模块化分布式控制系统。 然后,本文详细介绍了模块化分布式控制系统的硬件和软件设计。根据模块化可重组机器人的特点,在硬件设计时始终遵循模块化、功能较强的控制器、较好的通信网络、小型化、低功耗和低成本这六个原则。控制器采用的是DSP芯片TMS320LF2406,用它对无刷直流电机进行控制,能够获得较高的控制精度和较好的实时性。软件设计也遵循了模块化的设计原则,通信网络采用的是RS—485总线基础上的无线通信。 最后是控制系统的仿真和实验。首先对无刷直流电机的控制方案进行了仿真,来验证控制方案的可行性以及初步确定PID控制参数,然后进行了反向运动学实验来验证控制系统的实际控制效果,最后详细说明了自动对接的实验过程和结果。
沈金祥[2]2003年在《模块化可重组机器人运动控制系统设计》文中认为模块化可重组机器人是一种结构特点鲜明的机器人，具有机构简单、多功能、高稳定性和高性价比等优点，它是现在机器人发展的一个前沿分支。本文研究的任务是进行手动可重组和自动可重组两种模块化机器人控制系统的设计，根据模块化机器人的机构特点以及它对控制系统性能的要求，结合传统主从、分布式控制系统的优点，建立“模块化分布式控制系统”的系统模型，并以此为基础结合两种机器人各自的特点进行控制系统的设计。 在模块化手动可重组机器人控制系统的设计中，以单片机为模块控制器，采用RS-232进行各模块间的通信，并选用航模舵机作为运动执行器件。最后手动可重组机器人的成功实现以及表现出的性能证明了模块化分布式控制系统在模块化机器人应用中的优越性。在模块化自动可重组机器人控制系统的设计中，以高性能的DSP控制器为核心构建模块控制系统，并采用CAN总线构建系统通信网络，机器人模块的运动执行器件选用高输出效率比的无刷直流电动机。 模块化机器人控制系统的设计和模块化手动可重组机器人的成功实现为模块化机器人的进一步研究拓展了思路，也积累了宝贵的经验。
黄金梭[3]2010年在《基于MAS理论的模块化工业机器人控制策略研究》文中指出模块化静态可重组工业机器人是一种结构特点鲜明的柔性工业机器人,具有机构简单、多功能、高稳定性和高性价比等优点,它是工业机器人在企业生产中得以推广和普及的一个发展方向。本文研究的任务是设计一个模块化静态可重组工业机器人的控制系统结构,根据模块化工业机器人的结构特点及其对控制系统的要求,模仿“分布式控制系统”的构建方法,结合主从控制系统的优点,设计了低成本、适合于模块化静态可重组工业机器人机构特点的控制系统。本文首先阐述了模块化工业机器人的特点及其研究的重要性,介绍了与模块化工业机器人技术领域相关的可重构技术,并分析了这些技术用于模块化工业机器人时存在的缺点,基于此提出了本文的研究内容:建立低成本而又不失技术水平的模块化工业机器人控制系统模块。其次,学习研究了Agent和MAS理论的相关概念、特点和组织结构,并详细分析了模块化工业机器人的结构特点及其对控制系统的要求,在此基础上提出了新的适合模块化工业机器人的多Agent体系框架(即MAS体系结构)与描述。然后结合工程实际,深入地研究了MAS体系结构中各个组成部分的结构和工作过程。最后,根据控制系统的设计方案,搭建了控制器的硬件系统和设计了软件流程图。模块化静态可重组工业机器人控制系统设计的实现为工业机器人的进一步研究拓展了思路,也为工业机器人今后在企业生产中的广泛应用起了很大的推动作用,通过这次课题的研究为今后的工作积累了许多宝贵的经验。
王卫忠[4]2007年在《可重构模块化机器人系统关键技术研究》文中指出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叁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。整个控制系统由叁个子控制层组成。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;第叁层为关节控制层,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。
李政[5]2015年在《基于安卓平台的模块机器人控制设计》文中研究指明和传统机器人相比,模块化机器人凭借自身灵活多变的结构优点赢得众多学者的关注,其控制系统技术也得到飞速发展。为了提高模块化机器人的整体性能,其控制系统需要具备开放性、层次性的特征,而这些特征与以往的控制模式有很大不同。本文针对模块化机器人控制系统的这些特性进行了分析,并完成了如下工作。首先,参照国内外的模块分类理论,本课题对研究对象进行了功能分析和模块划分。机器人模块分为关节运动模块、关节连接模块和末端工具模块叁类,并对末端工具模块进行了进一步细化,分为阻力端足、滑动端足、端盖和感应器等部分。其次,在分布式控制系统结构的基础上,提出了一种融入远端操控的多层次控制架构。该架构由远端控制系统、主控制系统和子控制系统叁部分构成。其中,远端控制部分是一个基于Android智能手机的应用程序。它采用无线蓝牙技术和主控制系统通信,负责发送动作指令和更新控制程序。然后,完成对主、子控制系统硬件部分的设计。选用ARM公司设计的Cortex-M3和Cortex-MO作为主、子控制系统的核心处理器；通过工2C网络总线实现主、子控制系统之间的通信；对机器人的动力单元进行了设计,以PWM为调制信号,通过H型可逆系统电路,结合A/D采样电路形成一个完整的闭环回路控制,实现对电机精确控制。最后,本文完成了远端控制系统部分的设计。将软件划分为界面单元、数据存储单元和无线通信单元叁部分,设计了应用软件的用例图和时序图,并对每个单元进行了详细设计,完成代码编写。机器人模块化是未来发展的一个方向。本文设计了一套满足模块化机器人的结构特点、满足开放性和层次性原则的控制系统架构。通过实验验证了其可行性。
吴文强[6]2013年在《可重构模块化机器人建模、优化与控制》文中研究说明可重构模块化机器人由一组具有相同接口的模块组成，可根据不同的任务组装成不同的构型。与传统的机器人相比，可重构模块化机器人对任务和环境的适应能力更强，更具有柔性。模块化具有简化设计制造和维护、缩短研制周期、降低成本等优点，大大增强了系统构建时的灵活性和弹性，已成为机器人系统研究的热点。对可重构模块化机器人的运动学、型综合、尺度综合、误差及控制等方面的基础和关键技术进行研究可以促进可重构模块化机器人的实用化，具有重要的理论和应用价值。本文对模块化机器人的这些基本和关键问题进行系统深入的研究，主要内容和进展如下：(1)数学建模：提出一种可重构模块化机器人运动学、动力学自动建模方法。该方法在装配层将可重构模块化机器人的构型描述成有向树或装配关联矩阵的形式，并根据不同的构型自动生成相应的运动学、动力学模型。为适应不同的任务和模块化机器人构型的多样性，逆解采用了遗传算法和迭代方法相结合的面向任务的求解方法。(2)构型和尺度设计：为解决可重构模块化机器人在应用时如何找到合适的构型来满足特定任务的问题，提出了一种面向任务的构型多目标优化方法。该方法具有面向任务和多目标优化等特点，涵盖了自由度、可达性、能耗等多方面的性能优化，适用于模块化机器人的构型设计。尺度设计问题则是在构型确定的情况下，建立通过调整连杆尺寸来获得最优性能的优化模型。该模型通过归一化方法将多个性能评价指标组合成单一的无量纲目标函数值，然后用全局优化算法求最优解。该模型对模块化机器人的设计具有指导意义，同时该模型具有较强的通用型，适应于一般串联机器人的尺度优化。(3)结合面建模：由于相邻模块之间需要连接，每个连杆通过接触面由几部分组成，不可避免地破坏了机器人连杆结构的一体性和连续性，降低了模块化机器人整机性能。为分析模块之间的结合面对模块化机器人精度的影响，建立了基于分形理论的模块化机器人模块结合面受力与变形误差的关系模型。不同于一般机械结合面受均匀外载荷时的接触模型，该模型考虑了模块结合面受力非均匀的情况。结合面误差模型的建立为分析模块化机器人模块结合面静态、动态性能奠定了基础。(4)控制系统的体系结构与实现：提出了一种具有开放式和分布式结构的模块化机器人控制系统。采用CAN总线通讯，提高了各控制模块之间传送数据的效率；采用模块化设计方法，使之具备了开放性好、开发周期短、易于扩展、可重构等特点。控制系统既满足示教/再现式的传统的一般性控制要求，又满足自主/半自主式的智能化的要求。运动规划部分给出了一种实用的机器人平滑轨迹规划算法，能够很好地实现基本轨迹段之间的过渡和平滑运动，算法简洁易用，而且对加速度和跃度等运动参数的限制更加方便，同时采用单位四元数进行姿态的插补避免了万向节死锁等问题。最后通过对操作臂、爬杆、爬壁等构型的机器人系统的实验，验证了控制系统的合理性及相关关键算法的正确性。
李威[7]2016年在《六自由度机械臂模块化关节控制技术》文中研究指明本文主要针对国内研究较少的机械臂模块化关节进行了相关控制技术研究。首先以模块化关节通过轴线平行式和轴线垂直式连杆构成的六自由度机械臂为研究对象,综合分析其控制基础。再以模块化关节为研究对象进行了模块化系统集成和总体控制结构设计以及控制系统的仿真和优化,为模块化关节控制技术的应用提供了理论依据。在六自由度机械臂控制基础方面主要进行了基于D-H参数法的机械臂正运动学解算,并利用Matlab Robotic Toolbox建立了机械臂正运动学数学模型进行了仿真验证。综合分析了解析解法在机械臂逆运动学方面存在解的存在性、多重性和奇异点等问题,提出了采用基于BP神经网络的运动学逆解算法并进行了数学建模和算法实现,为机械臂运动学逆解引入了新思路。在建立机械臂正逆运动学模型的基础上进行了机械臂的关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划算法的仿真分析;在关节空间进行叁次多项式和高阶多项式插值算法的分析并以五次多项式插值算法为例进行了轨迹仿真;在笛卡尔空间分别就空间直线插补算法和空间圆弧插补算法进行了分析并进行了仿真,分析机械臂末端轨迹各路径点处的关节位姿。在机械臂动力学方面以机械臂任意关节为研究对象,建立了拉格朗日方程并具体分析了机械臂动力学正问题和动力学逆问题;结合本文的六自由度模块化机械臂的构型在Adams软件平台下进行了基于关节空间轨迹规划的动力学逆问题的仿真,就给定各关节转速的情况下得到了关节驱动力矩的仿真数据,为机械臂的轨迹跟踪控制奠定了理论基础。在模块化关节控制系统方面,首先进行了模块化关节内部系统集成设计,提出了基于CAN总线通讯协议的分布式控制系统的设计思想,确定了关节内部具体走线策略和控制硬件具体布局。其次就模块化关节的核心驱动原件-直流伺服电机的控制进行了位置-速度-电流的叁闭环控制器设计,使用Matlab/Simulink建立了直流伺服电机叁闭环控制器数学模型并进行了仿真分析。针对叁闭环控制系统的仿真结果提出了采用自适应模糊PID控制的方式来对叁闭环系统进行调节和优化,最后进行了自适应模糊PID控制器设计和自适应模糊PID叁闭环控制系统的仿真,实现了模块化关节控制系统的优化设计,为模块化关节控制技术的应用提供给了理论分析依据。
马建军[8]2004年在《模块化可重组机器人自动对接技术研究》文中研究说明模块化自重组机器人由大量结构、功能都相同的模块组成,它可以根据环境或任务的不同将模块重新组合形成不同的构形,例如蛇形、履带形或昆虫形等,可以很好的满足救火、地震后的城市搜救和战地侦察等不确定性环境中的多任务要求。模块化、可重组的结构设计使得这种机器人具有多样性、稳定性和低成本的优点。机器人通过自主地对模块进行重新排列以形成各种不同的结构形态,这种模块的重新排列可称之为自重组或自组装。 自动对接是模块化可重组机器人完成自重组变形的一个基本步骤,也是这种机器人研究的关键技术之一,是模块化自重组机器人具有实际应用价值的基础。本文在对模块化自重组机器人系统结构进行分析的基础上设计了一种可实现自动对接的模块化可重组机器人,模块结构分为驱动器单元、传感器单元和框架结构几部分,但要完成模块之间的自动对接,在机械结构上还需要设计一个精巧可靠,控制方便的连接器装置来完成对接的自动开、闭锁,本文设计了一种以SMA为驱动元件的自动开闭锁链接器装置,该装置具有结构简单、控制方便、节约能源的优点。 传感器在模块化可重组机器人自动对接过程中占据很重要的地位。本文研究的主要有电机自带的测量电机位置的霍尔效应传感器;用于计算对接面之间空间偏移量的红外传感器组。由于模块化可重组机器人系统本身的独特特点,传感器的用法与其它系统相比有一些区别,在自动对接过程中,最基本的过程就是利用传感器信息寻找目标模块然后靠近,最后实现对接。在这里,红外传感器被用来测量两个对接面之间的位置偏移信息,本文讨论了逆向计算方法、基于信息平衡的计算方法并提出了一种基于爬山法的对接搜索算法,这种基于搜索的方法对多传感器之间的性能差异要求不高,比较适合我们现有的加工精度和装配精度不高的实际条件,而且实时性较好。 对于链式模块化可重组机器人,通过正向运动学分析可以得到模块链末端执行器的位姿矩阵;利用逆向运动学分析,得到了在已知目标位置的情况下求出各个关节的关节角度的方法。 整个自动对接过程分为叁个阶段:远距离阶段,中距离阶段和近距离阶段。
朱明超[9]2009年在《基于局部信息的可重构模块机器人动力学控制方法研究》文中研究表明针对一组观念化的机器人模块集合,提出可重构模块机器人构形的数学描述方法,建立了可重构模块机器人的运动学和动力学模型,提出基于模拟退火遗传算法的逆运动学位置问题、姿态问题和位姿问题的最优化方法;分析动力学方程中的一组迭代方程,采用延时信息流动的方法把系统的动力学模型分解为若干个动力学子系统,针对子系统动力学提出基于模型分解算法的分布式自适应滑模控制方法;考虑到故障的局域性,提出基于模型分解算法的分布式故障诊断方法;提出基于关节模块局部信息的可重构模块机器人自适应模糊分散控制方法;对于关节模块速度信号不可测的情况,提出基于高增益观测器的关节模块自适应模糊输出反馈控制方法;针对执行器故障提出可重构模块机器人被动容错控制方法,基于模糊系统的通用逼近属性设计间接和直接自适应分散容错控制律。
李莹[10]2014年在《模块化仿生四足机器人的步态设计及运动控制》文中研究指明模块化可重构机器人是近几年的一个研究热点。因为模块化机器人由相同或者相近模块组成,且可拆卸重组成不同的构形。多足机器人可以调整每个足的状态来适应行走的环境,因此对于行走路面的要求很低。通过模仿自然界中动物的身体构造和运动模式,越来越多的仿生机器人开始流行。本文论述的就是集模块化和足式机器人特性,并且结合仿生学的模块化仿生四足机器人的步态设计以及运动控制。本文设计并成功实现了两类机器人运动步态。一类是以螃蟹的爬行姿势为参考,以鱼类BCF推进模式为运动原理设计的横行步态。另一类是以四足哺乳动物的典型代表马为模仿对象而设计的运动步态,包括行走和小跑步态。将动物的运动原理和运动姿态应用到机器人步态设计时,需要结合机器人模块化的特性而做一些调整和改变。仿生步态的设计让模块化四足机器人在路面行进中更灵活、环境适应性更强。运动控制采用的是基于生物激励的控制方法,也就是基于中枢模式发生器(Central Pattern Generator, CPG)的控制策略,采用的CPG模型是正弦模式发生器。CPG自适应控制策略要求舵机之间协同工作,根据坏境路面的变化自动调整步态。硬件部分是采用NUC100Cortex-MO微处理器芯片作为中央控制器,舵机控制则选取多路同步控制方法,这种方法对硬件条件要求极低,在大批量生产时可以有效的降低制造成本。本文对模块化仿生四足机器人的研究工作,特别是对基于GZ-I模块的四足机器人的研究,为模块化仿生四足机器人的后续研究工作奠定了一定基础,对推动国内外相关领域的研究有一定作用。
参考文献：
[1]. 模块化可重组机器人分布式控制系统设计[D]. 李晓斌. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 模块化可重组机器人运动控制系统设计[D]. 沈金祥. 国防科学技术大学. 2003
[3]. 基于MAS理论的模块化工业机器人控制策略研究[D]. 黄金梭. 浙江大学. 2010
[4]. 可重构模块化机器人系统关键技术研究[D]. 王卫忠. 哈尔滨工业大学. 2007
[5]. 基于安卓平台的模块机器人控制设计[D]. 李政. 北京邮电大学. 2015
[6]. 可重构模块化机器人建模、优化与控制[D]. 吴文强. 华南理工大学. 2013
[7]. 六自由度机械臂模块化关节控制技术[D]. 李威. 北京理工大学. 2016
[8]. 模块化可重组机器人自动对接技术研究[D]. 马建军. 国防科学技术大学. 2004
[9]. 基于局部信息的可重构模块机器人动力学控制方法研究[D]. 朱明超. 吉林大学. 2009
[10]. 模块化仿生四足机器人的步态设计及运动控制[D]. 李莹. 浙江工业大学. 2014
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