細胞機器人

細胞機器人

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)機器人蝸輪蝸桿自鎖直流大扭矩電機

簡介：

 可變形細胞機器人是一種可重構(gòu)模塊化機器人。單個模塊猶如細胞一樣。機器人可根據(jù)不同需求，通過模塊的組裝和拼接進行“增殖”和“分化”演化出各種復(fù)雜功能。

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詳細介紹：

本作品是一種可變形細胞機器人，根據(jù)不同需求，可對多個模塊進行任意組裝和拼接，完成各種不同任務(wù)。單個模塊猶如細胞一樣，進行“增殖”和“分化”演化出各種復(fù)雜功能的機器人。本作品單個模塊機械構(gòu)造簡易，由一個控制電路采用PID算法控制電機旋轉(zhuǎn)，可獨立實現(xiàn)簡單運動，亦可通過組合實現(xiàn)復(fù)雜功能。上位機平臺負責(zé)對機器人運動進行計算和規(guī)劃，使用者只需關(guān)注機器人的動作是什么，而具體的運動過程都由每個模塊中的控制電路接管，應(yīng)用方便。基于I2C總線的電路設(shè)計使得各模塊只需要兩根線就能可靠通訊，且最大支持128個模塊的互相連接。本作品成本低廉，控制簡便，可360度旋轉(zhuǎn)動作范圍大，通用性強，在工業(yè)現(xiàn)場無需針對每一種工作專門設(shè)計機器人，只需要對模塊化機器人進行不同組合、編程即可完成任務(wù)，降低了成本；在災(zāi)難搶救等特殊緊急場合，本作品也能充分發(fā)揮其可異構(gòu)、適應(yīng)性強的特點；在外太空探測中，本作品由于能勝任的工作多、可循環(huán)重復(fù)利用，也將有良好的應(yīng)用前景。

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計細胞機器人的目的在于設(shè)計一種多功能、高適應(yīng)度的機器人。本項目的主要創(chuàng)新點有： 1. 模塊化設(shè)計，可進行多個模塊組合拼接，可擴展性極強，具有多功能的特點。 2. 采用直流大扭矩電機驅(qū)動，克服同類機器人采用舵機功率小、行程小的缺點。 3. 完全自主機械設(shè)計，結(jié)構(gòu)布局合理。蝸輪蝸桿自鎖的設(shè)計可讓機器人像舵機一樣精確定位，且斷電后仍可保持構(gòu)型。 4. 自主設(shè)計高可靠度機械式連接件，可以使機器人互相對接、分離。（設(shè)計已申請專利保護）。 5. 解決了旋轉(zhuǎn)體接線、位置反饋的問題，每個模塊可360度旋轉(zhuǎn)而不會發(fā)生繞線或者電位計超量程的現(xiàn)象。 6. 集總運算，分立控制的系統(tǒng)設(shè)計。每一個單獨模塊都有單片機做運動控制。同時復(fù)雜的計算由每個模塊發(fā)給上位PC機運算，提高了運算、控制效率。 7. 串接式電路設(shè)計，最大支持128從機，為大規(guī)模模塊化變形、組合提供了基礎(chǔ)。 8. 上位機腳本化控制，使得多模塊組合式運動的開發(fā)十分便捷。 9. 我們對模塊組合成的機械臂進行了建模，同時采用了自己研究出的層次搜索法運動學(xué)逆解，具有耗時短，精度高的特點，克服了傳統(tǒng)方法運動學(xué)逆解速度慢的問題。 10. 仿真平臺與實時系統(tǒng)無縫對接。我們的仿真和上位機控制平臺都是在matlab里完成的，仿真結(jié)果可直接實時發(fā)到硬件上驗證。 技術(shù)關(guān)鍵在創(chuàng)新點中都有提及，技術(shù)指標(biāo)包括逆解精度、轉(zhuǎn)角控制精度、自動連接件可靠性等。

科學(xué)性、先進性

傳統(tǒng)機器人因其自身結(jié)構(gòu)限制難以適應(yīng)工作環(huán)境和工作任務(wù)的變化，若因工作環(huán)境和工作任務(wù)的不同而重新對機器人進行開發(fā)，應(yīng)用許多具有不同運動學(xué)和動力學(xué)特性的機器人來完成作業(yè)任務(wù)，這種做法耗資巨大，開發(fā)周期長。 細胞機器人是一種能根據(jù)任務(wù)需要，重新組合構(gòu)型的機器人。它是在模塊化機器人研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由一些具有基本相同的幾何尺寸和功能特征可互換的機器人“細胞”組成，可以根據(jù)任務(wù)需奧類似搭積木似地組合成特定構(gòu)型的機器人。這種組合并不是簡單的機械重構(gòu)，還包括控制系統(tǒng)(電子硬件、控制算法、軟件等)的重構(gòu)，因為模塊關(guān)節(jié)本身就是一種集通訊、控制、驅(qū)動、傳動一體化的單元。模塊在通過自動連接件相互連接后，新模塊就掛接在了總線上。且由于細胞間的可替換性，機器人就具有十分高的維護性。

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

我們制作了機器人的人機交互界面，用戶可以在界面中發(fā)送控制指令就可以控制機器人的工作。 本項目具有高度適應(yīng)能力，可以通過改變構(gòu)型完成各類不同的工作。而且由于細胞模塊間可以相互替換，機器人的維護簡易且成本低。 作為民用機器人，本項目適用于各種生產(chǎn)制造領(lǐng)域。目前先進流水生產(chǎn)線很多工序由機械臂完成。而機械臂的結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上由所加工的產(chǎn)品決定，當(dāng)加工不同產(chǎn)品時生產(chǎn)線的改造成本占了產(chǎn)品生產(chǎn)成本的很大一部分（先進汽車生產(chǎn)線的生產(chǎn)線改造成本占汽車生產(chǎn)成本的比例高達40%）。細胞機器人可以在汽車工業(yè)、機電工業(yè)（包括電訊工業(yè)）、通用機械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其它重型工業(yè)和輕工業(yè)部門發(fā)揮很大作用。 作為軍用機器人，本項目設(shè)計可根據(jù)不同的作戰(zhàn)空間和作戰(zhàn)，自重構(gòu)為相應(yīng)的形狀，用于軍事上代替或輔助軍隊進行作戰(zhàn)、偵察、探險等工作。在災(zāi)難搶救等特殊緊急場合，本作品也能充分發(fā)揮其可異構(gòu)、適應(yīng)性強的特點；在外太空探測中，本作品由于能勝任的工作多、可循環(huán)重復(fù)利用，也將有良好的應(yīng)用前景。

同類課題研究水平概述

國外對可重構(gòu)機器人系統(tǒng)已經(jīng)進行了大量的研究，目前已經(jīng)開發(fā)的模塊化機器人系統(tǒng)或可重構(gòu)機器人系統(tǒng)主要有兩類：一類是動態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)；另一類是靜態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)。 本項目制作的機器人既可以既可以作為靜態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)使用，也可以作為動態(tài)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)來使用。 Pamecha和Chirikjian的構(gòu)形變化機器人系統(tǒng)。它是由一套獨立的機電模塊組成的，每個模塊都有連接，脫開及越過相鄰模塊的功能，每個模塊沒有動力，但允許動力和信息輸入且可通過它輸?shù)较噜從K，構(gòu)形改變是通過每個模塊在相鄰模塊上的移動來實現(xiàn)的。這種系統(tǒng)具有動態(tài)自重構(gòu)的能力。他們的模塊與我們的項目有諸多相似之處，如每個模塊無動力，均有連接。這種構(gòu)型改變方式與本項目的構(gòu)型改變方式不同，需要在相鄰模塊上移動，而本項目只需通過移動已連接上動力源的部件來與被連接模塊進行機械連接，從而實現(xiàn)構(gòu)型的改變。這比Pamecha的要自由，不必通過在相鄰的模塊上移動。 Murata等人提出了一種三維自重構(gòu)結(jié)構(gòu)，其模塊為一種齊次結(jié)構(gòu)且僅一種模塊，通過一個模塊在另一個模塊上的運動來動態(tài)的組成各種結(jié)構(gòu)，本項目也具有Murata的模塊為齊次結(jié)構(gòu)且僅一種模塊的優(yōu)點。 國內(nèi)有人設(shè)計了這種連接件來實現(xiàn)重構(gòu)機器人的連接，但是這種連接件對兩個對接模塊的位置精度要求非常高，自動連接時對位置要求嚴苛，很難實現(xiàn)自動重構(gòu)。 但本項目的連接件可以在較大的位置誤差內(nèi)快速有效地實現(xiàn)高強度的連接，降低了控制的精度要求，從而降低了成本。