可重構機器人設計理論與研究

陳德林，楊志幫

（開封大學 機械與汽車工程學院，開封 475000）

0 引言

機器人誕生于二十世紀六十年代，其后發展歷程長期而漫長，到了八十年代，伴隨著以計算機、微電子、互聯網為代表的各類技術的迅猛發展，機器人技術也得到了長足的進步[1,2]。由于市場競爭的白熱化，行業壓力與日俱增，制造系統必須要能適應飛速發展的變化即需要具備柔性制造能力，受限于傳統工業機器人的特征性太強，通用性太弱，導致不能實現快速適應各種工況和環境，無法快速響應。與此同時，需求的快速增長，使得在非制造領城，工況越來越復雜，事先很難確定工作環境和工作任務，這就更需要機器人有很強的適應能力，在不同的環境下可以實現可重構，這種可以隨時改變構形的機器人被統稱為可重構機器人[3～5]。

1 研究背景

可重構機器人的定義為：具備若干個模塊，不同的模塊之間可以相互連接和分開以實現不同的組合，最終使機器人可以呈現不同的形態和實現不同的功能。可重構機器人的模塊的種類雖然不多，一般為1～4類，但是數量卻達成百上千甚至上萬。每個模塊的功能簡單，結構單一，但是經過組合之后形成的組合體可以實現之前每個單體無法實現的復雜功能，整體性能有了飛躍性的提升。可重構機器人根據任務的不同來進行形態、姿態和功能重組，比如，在崎嶇不平的山路上它化身為多足機器人，在起伏的沙漠里它化身為履帶機器人，在城市下水道中，它化身為長條蛇狀曲折前進。比起傳統的機器人，可重構機器人的優點主要有：高智能化，高適應性，高可靠性，長壽命高穩定性[6]。

2 國內外研究概況

從二十世紀80年代開始，國內外針對可重構機器人開展了大量的研究，目前國內研究領域一般把可重構機器人分為兩種：靜態機器人和動態機器人，兩者的區別主要體現在兩個方面：1）前者需要借助外力實現重構，廣泛應用于工業領域，又稱為工業機器人；2）后者具有很高的人工智能，可以不借助外力實現重構，又稱為自重構機器人[7]。

Benhabib開發了一種可重構機器人系統，通過建立模塊系統庫，實現機器人幾何構形的變化和重組，模塊系統庫主要由三部分組成：connect module，staff system，articulation module。在這個基礎上，1979年美國麻省理工學院機器人研究所開發了一種全新的系統RMMS，即可重構機器人系統。作為世界上第一臺原理樣機，當時被認為是跨時代的一次飛躍，它不僅在機械結構上實現了可重構，同時還在控制器、軟件、算法等方面同樣實現了可重構。通過進進一步的研究工作，1996年Khosla，Paredis等人進行了系統方面的改進，推出了新型的RMMS，采用了分布控制的方法實現了多樣性控制。其中最主要模塊為連桿模塊以及關節模塊，如圖1、圖2所示。

圖1 關節模塊圖

圖2 連桿模塊

1989年日本SONY公司研發出了新一代ATRRBUS系統，ATRRBUS系統的主要組成部除了與上述系統類似的連桿模塊和關節模塊以外，還有全新的控制模塊。所有的指令都是通過控制模塊實現通訊和傳輸以實現機器人的每一個動作以及整體控制。

國內對于可重構機器人的探索起步較晚，還處于初級階段。中科院沈陽自動化所的于蘇洋對國內可重構機器人的發展進行了戰略前瞻；上海復旦大學的聶愛英依托泛函分析理論，構建了靜力學和動力學運動方程，并利用遺傳算法進行了模擬推演。天津大學的王琦開發出基于模糊控制的可重構機器人拓撲結構模型。清華大學，北京航空航天大學，北京理工大學，哈爾濱工業大學和中國科技人學也在進行相關內容的研究，成果頗豐。

3 可重構機器人模塊化設計

制造技術日新月異，要求制造系統具備柔性化特質，更要求機器人可以適應環境的變化和任務的不同，全世界的研究人員致力于使用各種方法解決此難題，在這中間，模塊化設計方法是行之有效的一種，它不僅可以實現快速可重構，而且時間短，成本低，性價比高。

3.1 模塊化設計原則

由于機器人的自由度很高，結構復雜，各個自由度支架高度耦合，并非線性變化，因此需要根據功能進行模塊的劃分，基本原則為：

1）功能獨立性：每個模塊具備特定的獨立功能，實現模塊專業化，是可重構設計的基本要求；

2）響應迅速性：可重構機器人的最大特點就是要適應工作任務的不同和工 作環境的改變而變形，這就要求各個模塊應該方便拆卸，連接簡捷，響應迅速，反應及時；

3）良好驅動性：為了增加傳輸運動效率，減少能量損失，每個模塊都要將慣量減至最小，并且可以自己驅動自己實現本體動作而不依賴于外力，可以有效的降低整體能耗；

4）運動獨立性：為了減少耦合性，不同的運動模塊之間應該相對獨立，降低耦合性對系統的影響；

5）數據自治性：每個模塊應該具備獨立自治能力，可以實現不同模塊之間的實時數據處理和及時上下通訊。

3.2 模塊化平臺設計

如果要設計可重構機器人的模塊化平臺，那么我們首先需要知道它構形的變化范圍。本文主要研究范圍以串聯關節結構為主，例如關節型機械臂、仿生腿型機器人。

首先要做的是根據模塊劃分對機器人的結構進行分析。機器人的基本功能結構圖如圖3所示。從圖中我們可以看到主要的4個功能和對應的4個功能模塊。由于實現方式不同，所以可以據此對機器人進行不同的分類，比如以移動機器人為例，如果采用輪式結構實現，則為輪式移動機器人；如果采用關節串聯結構實現，則為串聯關節型機器人；如果采用仿生腿實現，則為仿生腿移動機器人。以上這些例子是單一功能的實現，真正復雜的機器人應該是兩種或者是多種運動功能的疊加，以適應更廣泛的應用領域。以下，主要開展關節串聯結構移動機器人的研究。

圖3 機器人基本功能結構圖

要開發出模塊化設計平臺，就必須采用典型劃分方法，利用拓撲結構和自身特征進行分組，首先定義基礎模塊，在此基礎上開發連桿、關節兩個并列模塊，并衍生出控制類的工具和調節模塊。特點需要強調的是調節和連桿兩個模塊共同組成連接結構，前者用于調節關節軸之間的距離，后者用于調整關節軸之間的角度，兩種模塊一起作用可以實現關節軸的任意運動。

基礎模塊是系統的根基，用來定義可重構機器人的整體結構外包絡，如圖4所示。

圖4 基礎模塊定義整體結構外包絡示意圖

關節模塊是系統的紐帶，用來定義任意兩關節之間的交叉角度，調整位置和坐標，如圖5所示為三種不同類型的關節：垂直轉動關節、橫向擺動關節和上下移動關節。

圖5 三種不同類型的關節模塊示意圖

連桿模塊是系統的橋梁，用來定義兩關節之間的最短距離，如圖6所示。

圖6 連桿模塊定義示意圖

4 可重構機器人構形設計

4.1 基礎構形設計思路

可重構機器人所需要完成的任務可以進行逐級分解，在這里，我們以某個裝配任務作為例子進行分析，底層任務是運動路徑規劃，中間層任務是定位、加緊、加工等工序集合，頂層任務為完成從零件到部組件的裝配。所以可重構機器人的基礎構形設計思路可概括為：

由問題出發：運動路徑規劃并發任務拆包分發，借助模塊化平臺搭建整體可重構模型；

從結果反求：通過模塊構建通信控制平臺，最終圓滿完成給定任務。

4.2 可重構機器人構形設計方法

廣義上構形設計問題都可以概括為一類搜索問題，在約束條件和任務目標下，通過搜索目標函數構造最優構形。傳統優化方法采用計算代價函數的梯度值，只能得到線性最優解，不滿足非線性要求，故本文采用進化算法。進化算法與遺傳算法類似，是其的一種演化，它以達爾文的進化論為基礎，通過模擬生物自然進化過程來進行求解和自適應，主要通過選擇、重組和變異三種手段實現優化問題的求解。

山洪預警指標FFG是指可引發山洪的時段降雨量，在美國通常是指1、3、6小時三個固定的時間段。需要說明的是：FFG是指預報河流斷面上游流域上的平均雨量；由于山洪不僅與當前降雨有關，還與小流域下墊面條件、前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關，在不同條件下，導致某一山洪溝發生洪水所需的降雨量也不同，因此FFG不是一個固定值，而是一個需要估算的動態變化值。

1）進化算法不需要假設提前解，不需要考慮形式與功能之間的關聯，柔性很大，可以完成任意產品的構形設計；

2）進化算法比其他算法能更好的處理離散問題，耦合問題，適用于不同大小的搜索空間，構形設計空間往往是高度耦合的，涵蓋離散和連續的變量：

3）進化算法魯棒性能優越，避免了其他算法往往糾纏于局部最優解的困擾，盡可能的實現全局最優解；

4）進化算法操作簡單，運行時間較短，對計算機的硬件需求較低，不需要特別高的配置，具有很好的并行工作能力。

4.3 構形設計實例

在知道了任務要求和得到可重構機器人模塊化平臺的前提下，即可開展構形設計，前述文中已經討論過構建模塊化平臺所需要的四種模塊，在后續討論中，我們只考慮除末端工具模塊以外其余的三個：

基礎模塊B的有三個實例：Bml（0.2m），Bm2（0.4m），Bm3（0.8 m），變換矩陣如下，h為高度值：

連桿模塊L的一共有10個長度實例，分別為0.05，0.l，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.45，0.5 m。變換矩陣如下，L為高度：

關節模塊J有三個實例，變換矩陣如下：

c為關節回轉中心到上下兩個連接端的長度，2c=0.lm, θ1為回轉中心兩部分相對轉動的角度：

C同上, θ2為橫向擺動關節兩部分相對轉動中心的交叉角度值：

d為上下移動關節模塊的移動量，d1為上下移動關節的移動量為初始值時的長度；

輸入條件為六自由度串連關節機器人，路徑規劃為輸出端可以快速按預定軌跡移動，位置姿態要求如下所示：

位姿矩陣一：

位姿矩陣二：

位姿矩陣三：

位姿矩陣四：

經過構形設計后，可重構機器人的摹本構形為：

Bm→J→Lm→J→Lm→J→Lm→J→Lm→J→L m→J→Lm→Tool

適應度函數為：

F=exp[-Kl×R+K2×O+K3×V+K4×D+K5×W

+K6R]

進化參數設置為：種群大小為30，最大代數為15，變異概率為0.25，交叉概率為0.7。

運行結果為：Cm02→JSm→Lm09→JRm→Lm 0l→JLm→Lm02→JSm→Lm08→JLm→Lm06→JS m→Tool

5 結論

可重構機器人的構形設計目標在于從在廣泛的模塊庫中尋找和優化出最優的拓撲模型，從本質上來講是一種以任務為前提的優化求解過程。

本文通過分析可重構機器人構形設計問題的特點，開展了理論研究，并對構形設計問題進行了量化說明，采用遺傳算法開展構形設計，有效地實現了非線性，強耦合性條件下的構形優化。

[1] Carly Rae Jepsen. Modular Reconfigurable Robots.Transaction of Welfares Robotics Systems,Seoul,Korea,Oct.2000.5.

[2] 趙衛東.機器人學[M].北京理工大學出版社.2004.

[3] Jennifer Lopez.Research on the Reconfigurable Robot.PhD Thesis. Stanford University.1998.

[4] David Tao.A New Modular in Reconfigurable Robot.Transaction of the IEEE on Robotics, November 2003.