模塊化機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案及開發(fā)

北方民族大學(xué) 左啟鑫 彭 琴 馬 強(qiáng)

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，各類企業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高。由于對(duì)工作效率、生活環(huán)境、安全保障等一系列的要求，機(jī)器人逐步發(fā)展與應(yīng)用起來，已經(jīng)代替了部分工作。逐步取代了傳統(tǒng)、機(jī)械的手工力，增強(qiáng)了效率，為人類的科技發(fā)展帶來了新的創(chuàng)新。

1 機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置

它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。它可以說是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，像微電子、控制、機(jī)械、人工智能等機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域猛速發(fā)展，橫向上，應(yīng)用面越來越寬，縱向上，機(jī)器人的種類也越來越多。而為了改變傳統(tǒng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)單一，實(shí)現(xiàn)的功能過于獨(dú)立，人們開始研發(fā)可重構(gòu)、可變性、成本低、自修復(fù)能力高的模塊化機(jī)器人。

2 機(jī)器人模塊化

模塊化是指解決一個(gè)復(fù)雜問題時(shí)自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分為若干模塊的過程，有多種屬性，分別反應(yīng)其內(nèi)部特性。模塊化的實(shí)現(xiàn)大大減小了其應(yīng)用成本，提高效率。它把對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析后，劃分出一系列模塊對(duì)應(yīng)的作出合理的分工，以增強(qiáng)效率，部分模塊的損壞也不會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的崩潰，使其大大降低了成本。同時(shí)，相應(yīng)的廠家還能針對(duì)某個(gè)模塊進(jìn)行批量的生產(chǎn)，以尋求市場(chǎng)效應(yīng)。

模塊化機(jī)器人是當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的需要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)器人往往是針對(duì)具體任務(wù)設(shè)計(jì)的，柔性不高，容錯(cuò)能力和自修復(fù)能力差，且使用成本較高，為了克服傳統(tǒng)機(jī)器人的這些不足，因而采用模塊化平臺(tái)化方法設(shè)計(jì)了模塊化機(jī)器人。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模塊化機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括3個(gè)層次：總體設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)及模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其中總體設(shè)計(jì)包括模塊以及模塊連接兩個(gè)方面。如圖1所示。

圖1 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)框架圖

2.1.1 模塊分解

根據(jù)模塊的定義，模塊是具有某種確定功能的獨(dú)立單元。功能是模塊的依據(jù)，也是進(jìn)行系統(tǒng)分解的依據(jù)。通常，模塊化的構(gòu)成模式可用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式表達(dá)：系統(tǒng)＝通用模塊（不變部分）＋專用模塊（變動(dòng)部分）。

圖2 機(jī)器人檢測(cè)裝置框架圖

2.1.2 模塊連接

通常，一個(gè)模塊化機(jī)器人系統(tǒng)是由多個(gè)模塊組成，因此必須設(shè)計(jì)各個(gè)模塊之間的連接方式。模塊間的連接又包括兩個(gè)層面，一個(gè)是機(jī)械結(jié)構(gòu)層面的連接，另一個(gè)是模塊間的通信。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的一般原則以及模塊化機(jī)器人的特點(diǎn)，需設(shè)計(jì)兩種關(guān)節(jié)模塊：回轉(zhuǎn)模塊和擺動(dòng)模塊，兩者都具有一個(gè)自有度，機(jī)械安裝接口相同且可以相互替換。其中回轉(zhuǎn)模塊其轉(zhuǎn)軸與模塊自身中心軸線重合或平行，稱之為I模塊；擺動(dòng)模塊的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與模塊連接軸線垂直，稱之為T型模塊。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

由于硬件的可重構(gòu)設(shè)計(jì)，不同構(gòu)型的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，所以需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)模塊化機(jī)器人快速、靈活的特點(diǎn)，如圖2所示。

模塊化機(jī)器人以獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)將實(shí)現(xiàn)未來人們對(duì)機(jī)器人各種猜測(cè)，人們研制出的機(jī)器人，會(huì)代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹩握{(diào)、枯燥或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人的模塊化更能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人猶如現(xiàn)在電腦一樣普及全球的。

[1]劉璇.面向特種機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)方法研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2010.

[2]舒暢.服務(wù)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué),2010.

[3]鄭志芳.模塊化主機(jī)器人的研制[D].華南理工大學(xué),2013.