2024年4月14日发(作者：贰半梅)
2000
年
12
月
沈阳工业学院学报
Vol
.19
No
.4
2000
第
19
卷第
4
期
JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY
Dec
.
文章编号
:1003-1251
(
2000
)
04-0069-04
可重构机器人研究和发展现状
李 斌
1
,
董慧颖
2
,
白 雪
3
(
1.
中国科学院沈阳自动化研究所
,
辽宁沈阳
110015;2.
沈阳工业学院
;3.
沈阳辰宇安装有限公司
)
摘 要
:
分析了可重构机器人研究和发展现状
,
对有代表性的可重构机
器人作了较详细的介绍
,
根据可重构机器人的应用背景
,
指出了可重构机器
人研究的必要性
.
关键词
:
可重构
;
机器人
;
模块化
中图分类号
:
TP
13
文献标识码
:
A
机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高
,
机器人应用的领域和范围正在不断扩展
,
人们希望机器人能完成更加复杂的任务
.
通过重新编程
,
机器人能很容易地完成许多不同的任
务
,
然而一台机器人能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制
.
对于给定任务
,
可以根据
任务要求来选择机器人的最佳结构
,
如喷漆或焊接作业
,
一般采用垂直关节结构的机械手
,
而
对于高精度的桌面精密装配作业
,
则采用水平
SCARA
结构的机械手
.
对于一些不可预知的作
业任务或不断变化的作业
,
就无法选择机器人的最佳结构
,
需要应用许多具有不同运动学和动
力学特性的机器人来完成作业任务
,
这种做法往往耗资巨大
,
甚至于不可行
.
例如
,
空间站上许
多工作需要机器人来完成
,
由于重量的限制
,
不可能将所有的机器人都发射到空间站中
.
因此
,
需要使用一种能根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务
.
可重构机
器人的研究正是在此类应用背景下开始的
.
可重构机器人是一种能根据任务需要
,
重新组合构型的机器人
,
它是在模块化机器人研究
基础上发展起来的
.
可重构机器人就是利用一些不同尺寸和性能的可互换的连杆和关节模块
,
象搭积木似地组合成特定构型的机器人
,
这种组合并不是简单的机械重构
,
还包括控制系统
(
电子硬件、控制算法、软件等
)
的重构
,
因为模块关节本身就是一种集通讯、控制、驱动、传动一
体化的单元
.
1
典型的可重构机器人
1988
年美国卡纳基梅隆大学机器人研究所研制出一种可重构的模块化机械手系统
(
简称
[1]
RMMS
)
,
笔者认为
RMMS
是第一台可重构机器人的原理性样机
,
RMMS
在系统设计上扩
收稿日期
:2000-09-15
作者简介
:
李斌
(
1963
—
)
,
男
,
广东兴宁人
,
副研究员
.
第
4
期 李 斌等
:
可重构机器人研究和发展现状
69
展了当时模块化机械手的概念
[2]
,
不仅实现了机械结构的可重构
,
而且从电子硬件、控制算法、
软件等方面实现了可重构
.
RMMS
原型样机包括六个关节模块、六个连杆模块和一台由具有
实时能力的计算机组成的控制器
.
在原型样机基础上
,
Khosla
等又做了进一步的研究工
作
[3
～
5]
,
通过机械结构、软件算法、通讯系统等方面的改进
,
于
1996
年研制出了新型
RMMS
[6]
,
如图
1
所示
.
(
a
)
RMMS
样机
(
b
)
RMMS
关节
(
c
)
RMMS
连接模块
图
1
可重构的模块化机械手系统
RMMS
样机及关节
随着可重构机器人研究工作的开展
,
一些关于可重构机器人的新思想和研究成果也不断
产生
.1988
年
,
在日本东京科学大学
,
Fukuda
等从概念的角度提出了一种新的机器人系统
——动力可重构机器人系统
(
DRRS
)
[7]
,
DRRS
由许多具有基本机械功能的智能“细胞”组成
,
每个“细胞”能根据任务自动地与其它“细胞”分离和组合
,
构成机械手或移动机器人
,
甚至于系
统能自修理
.
这种基于“细胞”结构的
DRRS
的概念是为下一代机器人系统提出的
.
在此基础
上
,
Fukuda
等又开展了进一步的研究工作
[8]
.1990
年
,
在名古屋大学
,
Fukuda
等研制出一种
新的机器人系统——细胞机器人系统
(
CEBOT
)
[9]
.
CEBOT
由多个独立自治的称为“细胞”的
单元组成
,
是一个分布式机器人系统
,
它能根据目的和环境将自己重构成最佳结构
.
针对
[10]
CEBOT
的研究工作一直在继续
.
1994
年
,
美国
JohnsHopkins
大学的
Gregory
以概念的角度提出一种变形机器人系
统
[11]
,
应该说这是一种新的可重构机器人系统
,
虽然这个系统也是由许多独立控制的机械模
块组成
,
每个模块具有连接、断开、爬越相邻模块的能力
,
但是其变形是在组成系统的模块保持
连接后进行
,
并且能自重构
.
目前已研制出原理性样机
[12]
.
日产通商产业省工业技术院机械技术研究所也在开展可重构机器人的研究工作
.1994
年
[13]
Murate
等提出并研制出一种自安装机械系统
,
由多个相同的可重构的装置组成
,
其特点是
(
1
)
可实现系统的容错
;
(
2
)
对环境有较高的适应能力
;
(
3
)
有利于产品化
.1999
年
Murate
等提
出了一个三维可重构的结构
[14]
.1999
年又研制出了一种使用形状记忆合金的可自重构系统
,
这种系统能用一组独立的机械装置构成不同形状
,
是一个三维可自重构系统
.
美国
Dartmouth
学院也在开展可自重构机器人的研究工作
,1998
年
Kotay
等提出了一个
由机器人分子组成的可自重构机器人
[15]
,
这种机器人能自动地重构成各种最佳形状
,
以适应
70
沈阳工业学院学报
2000
年
不同的地形、环境和任务
,
例如聚集成蛇形通过一个管道
,
重构成六足机器人通过起伏地带
,
再
改变形状和步伐爬上楼梯进入建筑物
.1999
年
DanielaRus
等又提出了一种由晶体结构“分
子”组成的可自重构机器人系统
[16]
,
晶体结构“分子”能聚集在一起
,
形成一个分布式机器人系
统
.
晶体结构“分子”通过扩张和收缩
,
进行相对于其它“分子”的运动
,
这种机构允许自动地变
形
.
新加坡南洋理工大学
[17]
、日本北海道大学
[18]
、美国
RensselaerPolytechnic
学院
[19]
等科研
机构也在开展可重构机器人的控制方法研究
.
可重构机器人的研究并没有局限于方法研究
,
一些研究成果已经在应用
.
例如
,
日本日立
公司研制出的用于核电站维修的可重构机械手系统
[20]
;
日本索尼公司利用可重构机器人技术
研制出的可变形玩具
[21]
,
目前已商品化
.
可重构机器人的种类很多
,
如可重构的机械手、可重构的步行机器人、可重构的并联机器
人、可重构的娱乐机器人、可自重构的机器人等
.
归纳起来主要有三种类型的可重构机器人
,
第
一类是需要外界参与才能进行重构的机器人
,
如可重构的模块化机械手系统
(
简称
RMMS
)
[1]
;
第二类是通过独立的模块自主地进行构型的可自重构机器人
,
如细胞机器人系统
(
CEBOT
)
[9]
;
第三类是变形机器人
,
如文献
[11]
介绍的变形机器人系统
.
2
可重构机器人的主要研究内容
可重构机器人研究的内容很多
,
归纳起来主要有以下几方面内容
:
1
)
可重构机器人的构型研究
可重构模块化机器人构形设计的目的就是如何找到一个最优的装配构形来完成给定的工
作
.
可重构模块化机器人构形设计的方法主要考虑以下三个问题
:
首先要确定构形的表达方
法
;
其次就是确定构形的评价标准
;
最后采用适当的优化方法确定满足给定任务的最优构形
.
2
)
模块
(
最小组成单元
)
的研究
模块是可重构机器人的组成单元
,
种类很多
,
功能各异
,
其共同点如下
:
・模块应满足可重构机器人的构型需要
;
・模块应具有规划、推理、决策能力
;
・模块应具有通讯、协商能力
;
・模块应具有完成特定运动和动作的驱动能力
;
・每个模块在满足要求的条件下应具有最小重量和最小惯性
;
・每个模块可以快速连接到任意其它的模块上
.
3
)
可重构机器人的运动学、动力学和控制策略的研究
随着可重构机器人构形的变化
,
其运动学和动力学模型也在变化
,
传统的机器人运动学、
动力学求解方法已不适合
,
必须探索新的方法
.
4
)
可重构机器人系统的实现方法等研究
通过这些研究
,
使机器人增加以“不变的系统”应“万变的任务”的能力
,
扩展机器人的应用
空间
.
第
4
期 李 斌等
:
可重构机器人研究和发展现状
71
3
结束语
可重构机器人已经成为机器人发展的一个新方向
.
一方面
,
从研究的角度看
,
传统的基于
传感器自治的概念已经扩展到基于构型自治
.
不难想象
,
尽管传统的机器人具有各种传感及规
划信息
,
但当给定任务超出其自身的机构物理特性时
,
它将很难
(
或无法
)
完成给定的任务
.
而
可重构机器人则可基于指定的任务
,
快速重构成具有适应任务的物理能力的构型
,
再附之以可
重构的传感器、规划策略
,
去自主的完成任务
.
因此
,
可重构机器人的研究已经成为智能机器人
研究的一个新的发展方向
.
目前
,
国外在可重构机器人研究的基础上又开始了可自重构机器人
的研究工作
.
另一方面
,
从应用的角度看
,
国外利用可重构机器人技术
,
已经研制出具有不同应
用背景的可重构机器人样机
,
许多领域正在
(
或已经
)
开始应用
,
例如用于核电站维护、修理任
务的可重构机械手
.
同样
,
我国在相应的领域内也需要可重构机器人
.
因此
,
可重构机器人的研
究在军事、航天、核工业等领域具有广阔的应用前景
.
自八十年代末以来
,
可重构机器人的研究受到普遍关注
.
近年来
,
在
IEEER&A
、
IROS
等
著名的国际机器人学术会议都有可重构机器人的专题
.
国内可重构机器人的研究工作还处于
探索性阶段
[22]
,
国内相关的科研单位和学者应密切关注世界各国可重构机器人研究的发展趋
向
.
参考文献
:
[1]
SchmitzDonald
,
KhoslaPradeep
,
KanadeTakeo
.
TheCMUreconfigurablemodularmanipulaorsystem
[
C
].
Proceedings
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.1988,473
2
488.
[2]
WurstKH
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Theconceptionandconstructionofamodularrobotsystem
[
C
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Proceedingsofthe
16
2
thInternational
SymposiumonindustrialRobotics
.
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2
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KimJO
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KhoslaPK
.
Amulti
2
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Proceedingsofthe
1992
IEEEInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems
.1992,1:279
2
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IEEEInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems
.1995,1:465
2
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KhoslaPK
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Systems
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,
NakagawaSeiya
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Dynamicallyreconfigurableroboticsystem
[
C
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ProceedingsIEEEconferenceon
RoboticsandAutomation
.1988,3:1581
2
1586.
[8]
FukudaT
,
NakagawaS
,
KawauchiY
.
Selforganizingrobotsbasedoncellstructures
2
CEBOT
[
C
].
Proceedingsofthe
IEEEInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems
.1988,145
2
150.
[9]
FukudaToshio
,
KawauchiYoshio
.
Cellularroboticsystem
(
CEBOT
)
asoneoftherealizationofself
2
organizing
intelligentuniversalmanipulator[C
].
ProceedingsIEEEconferenceonRoboticsandAutomation
.1990,662
2
667.
[10]
Kawauchi
.
Dynamicallyreconfigurableintelligentsystemofcellularroboticsystem
(
CEBOT
)
withrntropymin
2024年4月14日发(作者：贰半梅)
2000
年
12
月
沈阳工业学院学报
Vol
.19
No
.4
2000
第
19
卷第
4
期
JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY
Dec
.
文章编号
:1003-1251
(
2000
)
04-0069-04
可重构机器人研究和发展现状
李 斌
1
,
董慧颖
2
,
白 雪
3
(
1.
中国科学院沈阳自动化研究所
,
辽宁沈阳
110015;2.
沈阳工业学院
;3.
沈阳辰宇安装有限公司
)
摘 要
:
分析了可重构机器人研究和发展现状
,
对有代表性的可重构机
器人作了较详细的介绍
,
根据可重构机器人的应用背景
,
指出了可重构机器
人研究的必要性
.
关键词
:
可重构
;
机器人
;
模块化
中图分类号
:
TP
13
文献标识码
:
A
机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高
,
机器人应用的领域和范围正在不断扩展
,
人们希望机器人能完成更加复杂的任务
.
通过重新编程
,
机器人能很容易地完成许多不同的任
务
,
然而一台机器人能完成任务的范围却受其自身的机械结构限制
.
对于给定任务
,
可以根据
任务要求来选择机器人的最佳结构
,
如喷漆或焊接作业
,
一般采用垂直关节结构的机械手
,
而
对于高精度的桌面精密装配作业
,
则采用水平
SCARA
结构的机械手
.
对于一些不可预知的作
业任务或不断变化的作业
,
就无法选择机器人的最佳结构
,
需要应用许多具有不同运动学和动
力学特性的机器人来完成作业任务
,
这种做法往往耗资巨大
,
甚至于不可行
.
例如
,
空间站上许
多工作需要机器人来完成
,
由于重量的限制
,
不可能将所有的机器人都发射到空间站中
.
因此
,
需要使用一种能根据任务要求改变自身构型的机器人来完成不可预知的作业任务
.
可重构机
器人的研究正是在此类应用背景下开始的
.
可重构机器人是一种能根据任务需要
,
重新组合构型的机器人
,
它是在模块化机器人研究
基础上发展起来的
.
可重构机器人就是利用一些不同尺寸和性能的可互换的连杆和关节模块
,
象搭积木似地组合成特定构型的机器人
,
这种组合并不是简单的机械重构
,
还包括控制系统
(
电子硬件、控制算法、软件等
)
的重构
,
因为模块关节本身就是一种集通讯、控制、驱动、传动一
体化的单元
.
1
典型的可重构机器人
1988
年美国卡纳基梅隆大学机器人研究所研制出一种可重构的模块化机械手系统
(
简称
[1]
RMMS
)
,
笔者认为
RMMS
是第一台可重构机器人的原理性样机
,
RMMS
在系统设计上扩
收稿日期
:2000-09-15
作者简介
:
李斌
(
1963
—
)
,
男
,
广东兴宁人
,
副研究员
.
第
4
期 李 斌等
:
可重构机器人研究和发展现状
69
展了当时模块化机械手的概念
[2]
,
不仅实现了机械结构的可重构
,
而且从电子硬件、控制算法、
软件等方面实现了可重构
.
RMMS
原型样机包括六个关节模块、六个连杆模块和一台由具有
实时能力的计算机组成的控制器
.
在原型样机基础上
,
Khosla
等又做了进一步的研究工
作
[3
～
5]
,
通过机械结构、软件算法、通讯系统等方面的改进
,
于
1996
年研制出了新型
RMMS
[6]
,
如图
1
所示
.
(
a
)
RMMS
样机
(
b
)
RMMS
关节
(
c
)
RMMS
连接模块
图
1
可重构的模块化机械手系统
RMMS
样机及关节
随着可重构机器人研究工作的开展
,
一些关于可重构机器人的新思想和研究成果也不断
产生
.1988
年
,
在日本东京科学大学
,
Fukuda
等从概念的角度提出了一种新的机器人系统
——动力可重构机器人系统
(
DRRS
)
[7]
,
DRRS
由许多具有基本机械功能的智能“细胞”组成
,
每个“细胞”能根据任务自动地与其它“细胞”分离和组合
,
构成机械手或移动机器人
,
甚至于系
统能自修理
.
这种基于“细胞”结构的
DRRS
的概念是为下一代机器人系统提出的
.
在此基础
上
,
Fukuda
等又开展了进一步的研究工作
[8]
.1990
年
,
在名古屋大学
,
Fukuda
等研制出一种
新的机器人系统——细胞机器人系统
(
CEBOT
)
[9]
.
CEBOT
由多个独立自治的称为“细胞”的
单元组成
,
是一个分布式机器人系统
,
它能根据目的和环境将自己重构成最佳结构
.
针对
[10]
CEBOT
的研究工作一直在继续
.
1994
年
,
美国
JohnsHopkins
大学的
Gregory
以概念的角度提出一种变形机器人系
统
[11]
,
应该说这是一种新的可重构机器人系统
,
虽然这个系统也是由许多独立控制的机械模
块组成
,
每个模块具有连接、断开、爬越相邻模块的能力
,
但是其变形是在组成系统的模块保持
连接后进行
,
并且能自重构
.
目前已研制出原理性样机
[12]
.
日产通商产业省工业技术院机械技术研究所也在开展可重构机器人的研究工作
.1994
年
[13]
Murate
等提出并研制出一种自安装机械系统
,
由多个相同的可重构的装置组成
,
其特点是
(
1
)
可实现系统的容错
;
(
2
)
对环境有较高的适应能力
;
(
3
)
有利于产品化
.1999
年
Murate
等提
出了一个三维可重构的结构
[14]
.1999
年又研制出了一种使用形状记忆合金的可自重构系统
,
这种系统能用一组独立的机械装置构成不同形状
,
是一个三维可自重构系统
.
美国
Dartmouth
学院也在开展可自重构机器人的研究工作
,1998
年
Kotay
等提出了一个
由机器人分子组成的可自重构机器人
[15]
,
这种机器人能自动地重构成各种最佳形状
,
以适应
70
沈阳工业学院学报
2000
年
不同的地形、环境和任务
,
例如聚集成蛇形通过一个管道
,
重构成六足机器人通过起伏地带
,
再
改变形状和步伐爬上楼梯进入建筑物
.1999
年
DanielaRus
等又提出了一种由晶体结构“分
子”组成的可自重构机器人系统
[16]
,
晶体结构“分子”能聚集在一起
,
形成一个分布式机器人系
统
.
晶体结构“分子”通过扩张和收缩
,
进行相对于其它“分子”的运动
,
这种机构允许自动地变
形
.
新加坡南洋理工大学
[17]
、日本北海道大学
[18]
、美国
RensselaerPolytechnic
学院
[19]
等科研
机构也在开展可重构机器人的控制方法研究
.
可重构机器人的研究并没有局限于方法研究
,
一些研究成果已经在应用
.
例如
,
日本日立
公司研制出的用于核电站维修的可重构机械手系统
[20]
;
日本索尼公司利用可重构机器人技术
研制出的可变形玩具
[21]
,
目前已商品化
.
可重构机器人的种类很多
,
如可重构的机械手、可重构的步行机器人、可重构的并联机器
人、可重构的娱乐机器人、可自重构的机器人等
.
归纳起来主要有三种类型的可重构机器人
,
第
一类是需要外界参与才能进行重构的机器人
,
如可重构的模块化机械手系统
(
简称
RMMS
)
[1]
;
第二类是通过独立的模块自主地进行构型的可自重构机器人
,
如细胞机器人系统
(
CEBOT
)
[9]
;
第三类是变形机器人
,
如文献
[11]
介绍的变形机器人系统
.
2
可重构机器人的主要研究内容
可重构机器人研究的内容很多
,
归纳起来主要有以下几方面内容
:
1
)
可重构机器人的构型研究
可重构模块化机器人构形设计的目的就是如何找到一个最优的装配构形来完成给定的工
作
.
可重构模块化机器人构形设计的方法主要考虑以下三个问题
:
首先要确定构形的表达方
法
;
其次就是确定构形的评价标准
;
最后采用适当的优化方法确定满足给定任务的最优构形
.
2
)
模块
(
最小组成单元
)
的研究
模块是可重构机器人的组成单元
,
种类很多
,
功能各异
,
其共同点如下
:
・模块应满足可重构机器人的构型需要
;
・模块应具有规划、推理、决策能力
;
・模块应具有通讯、协商能力
;
・模块应具有完成特定运动和动作的驱动能力
;
・每个模块在满足要求的条件下应具有最小重量和最小惯性
;
・每个模块可以快速连接到任意其它的模块上
.
3
)
可重构机器人的运动学、动力学和控制策略的研究
随着可重构机器人构形的变化
,
其运动学和动力学模型也在变化
,
传统的机器人运动学、
动力学求解方法已不适合
,
必须探索新的方法
.
4
)
可重构机器人系统的实现方法等研究
通过这些研究
,
使机器人增加以“不变的系统”应“万变的任务”的能力
,
扩展机器人的应用
空间
.
第
4
期 李 斌等
:
可重构机器人研究和发展现状
71
3
结束语
可重构机器人已经成为机器人发展的一个新方向
.
一方面
,
从研究的角度看
,
传统的基于
传感器自治的概念已经扩展到基于构型自治
.
不难想象
,
尽管传统的机器人具有各种传感及规
划信息
,
但当给定任务超出其自身的机构物理特性时
,
它将很难
(
或无法
)
完成给定的任务
.
而
可重构机器人则可基于指定的任务
,
快速重构成具有适应任务的物理能力的构型
,
再附之以可
重构的传感器、规划策略
,
去自主的完成任务
.
因此
,
可重构机器人的研究已经成为智能机器人
研究的一个新的发展方向
.
目前
,
国外在可重构机器人研究的基础上又开始了可自重构机器人
的研究工作
.
另一方面
,
从应用的角度看
,
国外利用可重构机器人技术
,
已经研制出具有不同应
用背景的可重构机器人样机
,
许多领域正在
(
或已经
)
开始应用
,
例如用于核电站维护、修理任
务的可重构机械手
.
同样
,
我国在相应的领域内也需要可重构机器人
.
因此
,
可重构机器人的研
究在军事、航天、核工业等领域具有广阔的应用前景
.
自八十年代末以来
,
可重构机器人的研究受到普遍关注
.
近年来
,
在
IEEER&A
、
IROS
等
著名的国际机器人学术会议都有可重构机器人的专题
.
国内可重构机器人的研究工作还处于
探索性阶段
[22]
,
国内相关的科研单位和学者应密切关注世界各国可重构机器人研究的发展趋
向
.
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