2、模块化机器人设计与表示全解析

模块化机器人设计与表示全解析

1. 模块化机器人研究现状

过去对模块化机器人系统的研究主要集中在硬件设计方面，已经设计并开发出了各种类型的机器人模块和模块连接器。然而，模块化机器人的软件方面尚未得到深入研究。目前大多数现有模块化机器人系统所采用的算法，如运动学和动力学建模算法，都是从传统机器人系统移植而来的，并且依赖于特定的配置。模块和配置的选择与优化算法仍处于初级阶段。因此，为了开发有效的模块化可重构机器人系统（MRRS），应着重关注模块化机器人的算法和软件方面。

2. 模块设计

2.1 模块设计要求

为了开发具有多功能可重构性的模块化可重构机器人系统（MRRS），模块设计应满足以下要求：
- 每个关节模块应是一个独立的执行器，具备自身的运动控制能力，这意味着关节模块应内置伺服电机、齿轮箱、放大器、控制器、编码器、制动器和通信接口，以确保系统的可重构性。
- 每个关节或连杆模块应设计为具有多连接性，当每种类型的模块设计有多个连接插座时，可以构建包括串行、树形和并行类型在内的多种可能的机器人配置，从而增加系统的可重构性。
- 每个关节或连杆模块应设计为具有最小的重量和惯性，这对于提高模块化机器人的负载能力非常重要。
- 模块之间的连接应精确且牢固，这是模块化机器人执行需要高精度和刚性任务的关键。

2.2 关节模块

在机器人系统中，常用的低副关节有五种类型：旋转（1自由度）、棱柱（1自由度）、圆柱（2自由度）、平面（2自由度）和球面（3自由度）。由于多自由度关节可以通过组合多个1自由度关节获得，因此在MRRS中不需要复杂的多自由度关节设计，仅考虑两种类型的1自由度关节模块