1、模块化可重构机器人系统：原理与应用

模块化可重构机器人系统：原理与应用

1. 模块化设计的动机与优势

模块化通常是指先制作多个独立的功能单元，再将它们集成到一个完整系统的设计理念。这种设计理念在机械工程、电气与电子工程以及计算机与软件工程等众多工程学科中都有应用。模块化具有可重复使用、快速转换和易于维护等优点，采用这种方式设计的系统具有可重构、可扩展和灵活的特点。不过，从系统层面来看，尽管单个单元是最优的，但整体性能可能并非最优，模块化设计的系统需要更多的集成工作，例如解决不同单元之间的兼容性问题。

在机器人自动化系统的设计和选择中，系统的灵活性和生产能力始终是主要关注点。不同的机器人和自动化系统适用于不同的任务场景，具体如下表所示：
| 任务类型 | 适用系统 | 原因 |
| ---- | ---- | ---- |
| 高产量/低多样性任务 | 完全定制的设备 | 系统提供的可靠性和生产率能够证明资本投资的合理性 |
| 低产量/高多样性任务 | 通用机器 | 高利润率可以覆盖资本投资和维护成本 |
| 中等产量/中等多样性任务 | 模块化设计的机器人自动化系统 | 可以通过模块化单元的重新配置实现系统的灵活性，同时通过优化设计的模块化工作单元实现高生产率 |

模块化可重构机器人系统（MRRS）由一系列关节和连杆模块组成，可以根据不同的任务需求组装成各种机器人配置。单个关节模块可以作为独立的运动控制元件使用，而完全组装好的系统则可以作为具有各种配置和自由度（DOF）的机器人使用。在将这些模块集成到有效的机器人系统过程中，会出现许多研究问题，如模块设计、运动学和动力学建模、运动学校准以及配置优化等。

2. 过去的研究与开发成果