陳德林，楊志幫

（開(kāi)封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，開(kāi)封 475000）

0 引言

機(jī)器人誕生于二十世紀(jì)六十年代，其后發(fā)展歷程長(zhǎng)期而漫長(zhǎng)，到了八十年代，伴隨著以計(jì)算機(jī)、微電子、互聯(lián)網(wǎng)為代表的各類技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1,2]。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，行業(yè)壓力與日俱增，制造系統(tǒng)必須要能適應(yīng)飛速發(fā)展的變化即需要具備柔性制造能力，受限于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的特征性太強(qiáng)，通用性太弱，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)快速適應(yīng)各種工況和環(huán)境，無(wú)法快速響應(yīng)。與此同時(shí)，需求的快速增長(zhǎng)，使得在非制造領(lǐng)城，工況越來(lái)越復(fù)雜，事先很難確定工作環(huán)境和工作任務(wù)，這就更需要機(jī)器人有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，在不同的環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)，這種可以隨時(shí)改變構(gòu)形的機(jī)器人被統(tǒng)稱為可重構(gòu)機(jī)器人[3～5]。

1 研究背景

可重構(gòu)機(jī)器人的定義為：具備若干個(gè)模塊，不同的模塊之間可以相互連接和分開(kāi)以實(shí)現(xiàn)不同的組合，最終使機(jī)器人可以呈現(xiàn)不同的形態(tài)和實(shí)現(xiàn)不同的功能?？芍貥?gòu)機(jī)器人的模塊的種類雖然不多，一般為1～4類，但是數(shù)量卻達(dá)成百上千甚至上萬(wàn)。每個(gè)模塊的功能簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)單一，但是經(jīng)過(guò)組合之后形成的組合體可以實(shí)現(xiàn)之前每個(gè)單體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能，整體性能有了飛躍性的提升。可重構(gòu)機(jī)器人根據(jù)任務(wù)的不同來(lái)進(jìn)行形態(tài)、姿態(tài)和功能重組，比如，在崎嶇不平的山路上它化身為多足機(jī)器人，在起伏的沙漠里它化身為履帶機(jī)器人，在城市下水道中，它化身為長(zhǎng)條蛇狀曲折前進(jìn)。比起傳統(tǒng)的機(jī)器人，可重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)主要有：高智能化，高適應(yīng)性，高可靠性，長(zhǎng)壽命高穩(wěn)定性[6]。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況

從二十世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外針對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人開(kāi)展了大量的研究，目前國(guó)內(nèi)研究領(lǐng)域一般把可重構(gòu)機(jī)器人分為兩種：靜態(tài)機(jī)器人和動(dòng)態(tài)機(jī)器人，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）前者需要借助外力實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，又稱為工業(yè)機(jī)器人；2）后者具有很高的人工智能，可以不借助外力實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，又稱為自重構(gòu)機(jī)器人[7]。

Benhabib開(kāi)發(fā)了一種可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)建立模塊系統(tǒng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人幾何構(gòu)形的變化和重組，模塊系統(tǒng)庫(kù)主要由三部分組成：connect module，staff system，articulation module。在這個(gè)基礎(chǔ)上，1979年美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)器人研究所開(kāi)發(fā)了一種全新的系統(tǒng)RMMS，即可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。作為世界上第一臺(tái)原理樣機(jī)，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是跨時(shí)代的一次飛躍，它不僅在機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)，同時(shí)還在控制器、軟件、算法等方面同樣實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)。通過(guò)進(jìn)進(jìn)一步的研究工作，1996年Khosla，Paredis等人進(jìn)行了系統(tǒng)方面的改進(jìn)，推出了新型的RMMS，采用了分布控制的方法實(shí)現(xiàn)了多樣性控制。其中最主要模塊為連桿模塊以及關(guān)節(jié)模塊，如圖1、圖2所示。

圖1 關(guān)節(jié)模塊圖

圖2 連桿模塊

1989年日本SONY公司研發(fā)出了新一代ATRRBUS系統(tǒng)，ATRRBUS系統(tǒng)的主要組成部除了與上述系統(tǒng)類似的連桿模塊和關(guān)節(jié)模塊以外，還有全新的控制模塊。所有的指令都是通過(guò)控制模塊實(shí)現(xiàn)通訊和傳輸以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作以及整體控制。

國(guó)內(nèi)對(duì)于可重構(gòu)機(jī)器人的探索起步較晚，還處于初級(jí)階段。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的于蘇洋對(duì)國(guó)內(nèi)可重構(gòu)機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了戰(zhàn)略前瞻；上海復(fù)旦大學(xué)的聶愛(ài)英依托泛函分析理論，構(gòu)建了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，并利用遺傳算法進(jìn)行了模擬推演。天津大學(xué)的王琦開(kāi)發(fā)出基于模糊控制的可重構(gòu)機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。清華大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，北京理工大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國(guó)科技人學(xué)也在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究，成果頗豐。

3 可重構(gòu)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)

制造技術(shù)日新月異，要求制造系統(tǒng)具備柔性化特質(zhì)，更要求機(jī)器人可以適應(yīng)環(huán)境的變化和任務(wù)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(shè)計(jì)方法是行之有效的一種，它不僅可以實(shí)現(xiàn)快速可重構(gòu)，而且時(shí)間短，成本低，性價(jià)比高。

3.1 模塊化設(shè)計(jì)原則

由于機(jī)器人的自由度很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)自由度支架高度耦合，并非線性變化，因此需要根據(jù)功能進(jìn)行模塊的劃分，基本原則為：

1）功能獨(dú)立性：每個(gè)模塊具備特定的獨(dú)立功能，實(shí)現(xiàn)模塊專業(yè)化，是可重構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求；

2）響應(yīng)迅速性：可重構(gòu)機(jī)器人的最大特點(diǎn)就是要適應(yīng)工作任務(wù)的不同和工 作環(huán)境的改變而變形，這就要求各個(gè)模塊應(yīng)該方便拆卸，連接簡(jiǎn)捷，響應(yīng)迅速，反應(yīng)及時(shí)；

3）良好驅(qū)動(dòng)性：為了增加傳輸運(yùn)動(dòng)效率，減少能量損失，每個(gè)模塊都要將慣量減至最小，并且可以自己驅(qū)動(dòng)自己實(shí)現(xiàn)本體動(dòng)作而不依賴于外力，可以有效的降低整體能耗；

4）運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性：為了減少耦合性，不同的運(yùn)動(dòng)模塊之間應(yīng)該相對(duì)獨(dú)立，降低耦合性對(duì)系統(tǒng)的影響；

5）數(shù)據(jù)自治性：每個(gè)模塊應(yīng)該具備獨(dú)立自治能力，可以實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和及時(shí)上下通訊。

3.2 模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)

如果要設(shè)計(jì)可重構(gòu)機(jī)器人的模塊化平臺(tái)，那么我們首先需要知道它構(gòu)形的變化范圍。本文主要研究范圍以串聯(lián)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)為主，例如關(guān)節(jié)型機(jī)械臂、仿生腿型機(jī)器人。

首先要做的是根據(jù)模塊劃分對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。機(jī)器人的基本功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。從圖中我們可以看到主要的4個(gè)功能和對(duì)應(yīng)的4個(gè)功能模塊。由于實(shí)現(xiàn)方式不同，所以可以據(jù)此對(duì)機(jī)器人進(jìn)行不同的分類，比如以移動(dòng)機(jī)器人為例，如果采用輪式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，則為輪式移動(dòng)機(jī)器人；如果采用關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，則為串聯(lián)關(guān)節(jié)型機(jī)器人；如果采用仿生腿實(shí)現(xiàn)，則為仿生腿移動(dòng)機(jī)器人。以上這些例子是單一功能的實(shí)現(xiàn)，真正復(fù)雜的機(jī)器人應(yīng)該是兩種或者是多種運(yùn)動(dòng)功能的疊加，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。以下，主要開(kāi)展關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人的研究。

圖3 機(jī)器人基本功能結(jié)構(gòu)圖

要開(kāi)發(fā)出模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)，就必須采用典型劃分方法，利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自身特征進(jìn)行分組，首先定義基礎(chǔ)模塊，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)連桿、關(guān)節(jié)兩個(gè)并列模塊，并衍生出控制類的工具和調(diào)節(jié)模塊。特點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是調(diào)節(jié)和連桿兩個(gè)模塊共同組成連接結(jié)構(gòu)，前者用于調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軸之間的距離，后者用于調(diào)整關(guān)節(jié)軸之間的角度，兩種模塊一起作用可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軸的任意運(yùn)動(dòng)。

基礎(chǔ)模塊是系統(tǒng)的根基，用來(lái)定義可重構(gòu)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)外包絡(luò)，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)模塊定義整體結(jié)構(gòu)外包絡(luò)示意圖

關(guān)節(jié)模塊是系統(tǒng)的紐帶，用來(lái)定義任意兩關(guān)節(jié)之間的交叉角度，調(diào)整位置和坐標(biāo)，如圖5所示為三種不同類型的關(guān)節(jié)：垂直轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、橫向擺動(dòng)關(guān)節(jié)和上下移動(dòng)關(guān)節(jié)。

圖5 三種不同類型的關(guān)節(jié)模塊示意圖

連桿模塊是系統(tǒng)的橋梁，用來(lái)定義兩關(guān)節(jié)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(gòu)機(jī)器人構(gòu)形設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)構(gòu)形設(shè)計(jì)思路

可重構(gòu)機(jī)器人所需要完成的任務(wù)可以進(jìn)行逐級(jí)分解，在這里，我們以某個(gè)裝配任務(wù)作為例子進(jìn)行分析，底層任務(wù)是運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，中間層任務(wù)是定位、加緊、加工等工序集合，頂層任務(wù)為完成從零件到部組件的裝配。所以可重構(gòu)機(jī)器人的基礎(chǔ)構(gòu)形設(shè)計(jì)思路可概括為：

由問(wèn)題出發(fā)：運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃并發(fā)任務(wù)拆包分發(fā)，借助模塊化平臺(tái)搭建整體可重構(gòu)模型；

從結(jié)果反求：通過(guò)模塊構(gòu)建通信控制平臺(tái)，最終圓滿完成給定任務(wù)。

4.2 可重構(gòu)機(jī)器人構(gòu)形設(shè)計(jì)方法

廣義上構(gòu)形設(shè)計(jì)問(wèn)題都可以概括為一類搜索問(wèn)題，在約束條件和任務(wù)目標(biāo)下，通過(guò)搜索目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造最優(yōu)構(gòu)形。傳統(tǒng)優(yōu)化方法采用計(jì)算代價(jià)函數(shù)的梯度值，只能得到線性最優(yōu)解，不滿足非線性要求，故本文采用進(jìn)化算法。進(jìn)化算法與遺傳算法類似，是其的一種演化，它以達(dá)爾文的進(jìn)化論為基礎(chǔ)，通過(guò)模擬生物自然進(jìn)化過(guò)程來(lái)進(jìn)行求解和自適應(yīng)，主要通過(guò)選擇、重組和變異三種手段實(shí)現(xiàn)優(yōu)化問(wèn)題的求解。

山洪預(yù)警指標(biāo)FFG是指可引發(fā)山洪的時(shí)段降雨量，在美國(guó)通常是指1、3、6小時(shí)三個(gè)固定的時(shí)間段。需要說(shuō)明的是：FFG是指預(yù)報(bào)河流斷面上游流域上的平均雨量；由于山洪不僅與當(dāng)前降雨有關(guān)，還與小流域下墊面條件、前期洼蓄量、土壤濕度等因素有關(guān)，在不同條件下，導(dǎo)致某一山洪溝發(fā)生洪水所需的降雨量也不同，因此FFG不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)需要估算的動(dòng)態(tài)變化值。

1）進(jìn)化算法不需要假設(shè)提前解，不需要考慮形式與功能之間的關(guān)聯(lián)，柔性很大，可以完成任意產(chǎn)品的構(gòu)形設(shè)計(jì)；

2）進(jìn)化算法比其他算法能更好的處理離散問(wèn)題，耦合問(wèn)題，適用于不同大小的搜索空間，構(gòu)形設(shè)計(jì)空間往往是高度耦合的，涵蓋離散和連續(xù)的變量：

3）進(jìn)化算法魯棒性能優(yōu)越，避免了其他算法往往糾纏于局部最優(yōu)解的困擾，盡可能的實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解；

4）進(jìn)化算法操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)間較短，對(duì)計(jì)算機(jī)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(gòu)形設(shè)計(jì)實(shí)例

在知道了任務(wù)要求和得到可重構(gòu)機(jī)器人模塊化平臺(tái)的前提下，即可開(kāi)展構(gòu)形設(shè)計(jì)，前述文中已經(jīng)討論過(guò)構(gòu)建模塊化平臺(tái)所需要的四種模塊，在后續(xù)討論中，我們只考慮除末端工具模塊以外其余的三個(gè)：

基礎(chǔ)模塊B的有三個(gè)實(shí)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(gè)長(zhǎng)度實(shí)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(guān)節(jié)模塊J有三個(gè)實(shí)例，變換矩陣如下：

c為關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心到上下兩個(gè)連接端的長(zhǎng)度，2c=0.lm, θ1為回轉(zhuǎn)中心兩部分相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度：

C同上, θ2為橫向擺動(dòng)關(guān)節(jié)兩部分相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的交叉角度值：

d為上下移動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的移動(dòng)量，d1為上下移動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)量為初始值時(shí)的長(zhǎng)度；

輸入條件為六自由度串連關(guān)節(jié)機(jī)器人，路徑規(guī)劃為輸出端可以快速按預(yù)定軌跡移動(dòng)，位置姿態(tài)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(jīng)過(guò)構(gòu)形設(shè)計(jì)后，可重構(gòu)機(jī)器人的摹本構(gòu)形為：

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

適應(yīng)度函數(shù)為：

F=exp[-Kl×R+K2×O+K3×V+K4×D+K5×W

+K6R]

進(jìn)化參數(shù)設(shè)置為：種群大小為30，最大代數(shù)為15，變異概率為0.25，交叉概率為0.7。

運(yùn)行結(jié)果為：Cm02→JSm→Lm09→JRm→Lm 0l→JLm→Lm02→JSm→Lm08→JLm→Lm06→JS m→Tool

5 結(jié)論

可重構(gòu)機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)目標(biāo)在于從在廣泛的模塊庫(kù)中尋找和優(yōu)化出最優(yōu)的拓?fù)淠Ｐ?，從本質(zhì)上來(lái)講是一種以任務(wù)為前提的優(yōu)化求解過(guò)程。

本文通過(guò)分析可重構(gòu)機(jī)器人構(gòu)形設(shè)計(jì)問(wèn)題的特點(diǎn)，開(kāi)展了理論研究，并對(duì)構(gòu)形設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了量化說(shuō)明，采用遺傳算法開(kāi)展構(gòu)形設(shè)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)了非線性，強(qiáng)耦合性條件下的構(gòu)形優(yōu)化。

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

[2] 趙衛(wèi)東.機(jī)器人學(xué)[M].北京理工大學(xué)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.