模块机器人是什么

模块化机器人由标准的独立制造模块组成，每个模块都有驱动部分、电源等。不同的模块由信息控制系统组合和控制，形成一个具有特殊功能的机器人。

模块化机器人由标准的独立制造模块组成，每个模块都有驱动部分、电源等。不同的模块由信息控制系统组合和控制，形成一个具有特殊功能的机器人。

简介

特种机器人的高效率、高精度和低应用成本在大规模工业生产中得到了充分体现。然而，面对未来多变、小批量的柔性生产需求，特种机器人的设计周期和制造成本成为亟待解决的问题。机器人设计中模块化概念的引入为柔性加工系统注入了新的活力。选择合适的模块化机器人拓扑关系和标准模块，快速形成模块化机器人是缩短机器人设计周期、降低制造成本的有效途径。模块化机器人将成为未来柔性加工系统中最重要的设备之一。

发展

模块化在柔性加工系统中越来越受到重视。欧美的研究机构在80年代后期开始研究模块化机器人。早期主要专注于模块本身的开发，而近几年则专注于模块化机器人应用领域的开发。

模块化机器人的研究可以分为三个不同的领域，即模块化机器人硬件研究、控制研究和针对不同应用的计算机辅助设计研究。到目前为止，大多数研究都集中在前两个领域。目前，商用标准模块(模块化接头和模块化链接)已经投放市场。模块化机器人的出现无疑为柔性加工系统提供了更多的选择。但随之而来的问题是不断变化的任务对象、不同的工作环境、模块化机器人的随机组合，即模块化机器人的拓扑关系、模块化关节、模块化链接的无限组合。模块化机器人的设计已经成为摆在我们面前的一个具有挑战性的课题。

机器人计算机辅助设计这个课题一直受到人们的关注，B.O.N .纳吉于1986年出版了专著《机器人计算机辅助设计、选择与评价》。他对可能构成机器人的四个关节的运动范围和速度进行了度编码，并定性或定量地规定了(16度)89个参数，如执行器、关节驱动单元、关节控制单元和设计参数。Nnaji还给出了如何根据设计要求确定相关代码的程序流程，开创了机器人计算机辅助设计的先河。K-H Wurst还给出了开发模块化机器人时选择模块的一般原则。前者主要研究如何根据设计参数确定代码，从而确定满足设计要求的机器人拓扑关系和结构参数，对设计新的机器人具有一定的指导意义。

作为模块化机器人的概念计算机设计，其指导思想与Nnaji不同。第一，模块化机器人的组成有一定的局限性，即有限关节模块和无限连杆的选择性；第二，Nnaji的设计方案是为机器人设计人员开发的，要求设计人员具备机构运动学、动力学、计算机控制以及对机器人的深入了解。我们开发的计算机辅助设计系统的用户对象是机器人用户，而不是机器人专家。换句话说，我们的系统是面向用户的，而不是面向机器人的。从用户使用的角度来看，他不需要知道模块化机器人详细的内部结构和操作，只需要知道和描述机器人应该具备的任务和性能。从这个意义上说，系统是任务驱动的，或者说是面向任务的。以上差异带来的新的区别是CAD系统和数据结构不同。CAD系统自上而下的设计必须要有足够的智能，这就要求系统要有足够的深度知识来描述模块和模块化机器人的功能、性能和结构，描述机器人应该承担的任务和环境，以及任务-功能-结构映射过程中的知识。这种智能设计要求对系统数据结构提出了更严格的要求。

标准模块

顾名思义，模块化机器人由模块组成，即模块化关节和模块化连杆。一般来说，模块之间的连接应该有标准化的机械和电气接口。一至三个自由度的模块接头由DC或交流电机驱动，并集成有减速机构和控制器。没有自由度的模块链接仅用于模块接头之间的连接。不同长度的模块化连杆和不同方向的标准接口使模块化关节之间的连接满足机器人不同的运动学和动力学要求。图1显示了Wurst开发的标准模块的示意图。一个自由度的关节模块可以是摆动或平移，两个自由度的关节可以是旋转和摆动、平移和旋转、平移和摆动。同一类型的关节可以有不同的驱动机构，以适应不同的运动和动力学要求，但选择有限。关节的长度可以根据实际情况而定。

拓扑分类

理论上，使用相同类型的标准模块可以构造出许多具有不同拓扑关系的机器人。但从实际应用的角度来看，满足六自由度空要求的串联机器人(图1中的标准模块仅限于串联机器人)由不超过四个多自由度关节模块和三个联动模块组成。考虑到末端执行器本身的三个自由度，对机械手自由度的要求也会降低。图2显示了由标准模块组成的串行机器人的几种常见拓扑关系。图2( a)所示的六自由度模块化机器人是最典型的工业机器人拓扑关系，能够满足大多数工业应用的要求。这类机器人的优点是可以避开其工作空之间的障碍物，但对于某些应用来说，并不是最好的拓扑关系。对于执行器运动空之间要求不大的机器人，比如流水线上的装配机器人，图2( b)、(d)、(e)所示的机器人使用较多，其他机器人使用较少。

设计特点

就模块化机器人的计算机辅助设计而言，最终用户的设计不是设计所有机器人的关节和连杆，而是根据给定的任务确定机器人的最优拓扑关系、关节和连杆参数，从而选择标准模块，形成满足任务要求的模块化机器人。这是典型的机械系统概念设计。面向用户的现代软件设计指导思想决定了CAD软件的用户是最终用户，而不是机器人或计算机领域的专家。其实用户根本不需要成为机器人设计方面的专家，也不需要深入了解机器人结构及其控制的细节。用户唯一关心的是正确确定机器人要完成的任务，描述其工作环境，输入模块化机器人应该具备的功能和性能，以及对CAD软件应用界面的一些限制性约束。机器人的结构，即拓扑关系和模块参数，已经成为满足新任务要求的新技术方案。换句话说，模块化机器人的概念设计应该是一个任务驱动、自上而下的设计过程。

机器人所从事的任务决定了机器人应该具备的功能和性能要求。这里需要强调的是，机器人的拓扑关系决定了机器人的功能，而关节特性和连杆的长度和质量会影响机器人的性能。换句话说，当机器人的拓扑关系确定后，机器人的功能也就确定了，但是不同的关节和连杆参数只会影响机器人的性能。这一假设使得模块化机器人的任务、功能和结构在两个方向上映射成为可能。

设计方案的选择

现代计算机辅助设计的发展趋势是朝着软件智能化的方向发展。智能设计软件以知识库为基础，以计算机推理为主要线索，具有面向用户和面向对象的特点。

基于案例的推理(CBR)过程被应用于复杂系统的概念设计，它可以将寻找新的技术解决方案与现有的成功设计案例紧密联系起来。作为一种类似于人类设计过程的方法，案例推理有效地利用了现有的成功经验，大大缩短了找到最终解决方案的时间。采用基于案例的设计思想的优势在于，简化了智能系统中的知识，过滤了许多低级元知识，突出了与任务相关的上层知识，使知识的表达、存储和索引更加简洁明了，解决了基于元规则推理时“组合爆炸”的潜在隐患。

智能软件面向用户的特点不仅在于界面友好的形式要求，更重要的是，软件的用户只是该领域的一般工程师和技术人员，而不是该领域的专家。任务驱动、自上而下的设计应该是智能设计的主要线索，但所谓自上而下的设计并不是设计系统的唯一策略。当任务-功能-结构映射失败时，基于元知识的自下而上的正向推理有助于生成新的机器人结构，以满足新的功能需求和适应新的任务需求，这将增加系统知识和推理机制的复杂性。自下而上的设计对最终用户是透明的，用户不需要知道机器人内部结构的细节。

此外，由于模块化机器人的任务和工作环境不断变化，模块化机器人的组成不断增长，系统知识也在不断变化和扩展。为了消除可能导致系统崩溃的数据混乱，面向对象的数据结构是解决这一潜在问题的唯一选择。研究模块化机器人对象的功能、性能和结构之间的关系是模块化机器人计算机辅助设计中最重要的环节。作为案例的数据抽象，对象类的成员数据和方法的封装、继承和重载，使得用户能够有效地定义或开发各种复杂的对象，对于大规模工程问题所涉及的知识、数据和方法的定义和应用非常重要。面向对象设计思想在智能计算机辅助设计中的应用，导致系统中的知识表示和组织不同于一般的基于规则的推理机制。综上所述，根据模块化机器人概念设计的特点，选择了任务驱动、面向对象和基于案例推理的计算机辅助设计系统，自顶向下的推理策略是模块化机器人概念设计的最佳选择。