细胞机器人

细胞机器人

关键词：可重构机器人蜗轮蜗杆自锁直流大扭矩电机

简介：

 可变形细胞机器人是一种可重构模块化机器人。单个模块犹如细胞一样。机器人可根据不同需求，通过模块的组装和拼接进行“增殖”和“分化”演化出各种复杂功能。

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详细介绍：

本作品是一种可变形细胞机器人，根据不同需求，可对多个模块进行任意组装和拼接，完成各种不同任务。单个模块犹如细胞一样，进行“增殖”和“分化”演化出各种复杂功能的机器人。本作品单个模块机械构造简易，由一个控制电路采用PID算法控制电机旋转，可独立实现简单运动，亦可通过组合实现复杂功能。上位机平台负责对机器人运动进行计算和规划，使用者只需关注机器人的动作是什么，而具体的运动过程都由每个模块中的控制电路接管，应用方便。基于I2C总线的电路设计使得各模块只需要两根线就能可靠通讯，且最大支持128个模块的互相连接。本作品成本低廉，控制简便，可360度旋转动作范围大，通用性强，在工业现场无需针对每一种工作专门设计机器人，只需要对模块化机器人进行不同组合、编程即可完成任务，降低了成本；在灾难抢救等特殊紧急场合，本作品也能充分发挥其可异构、适应性强的特点；在外太空探测中，本作品由于能胜任的工作多、可循环重复利用，也将有良好的应用前景。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

设计细胞机器人的目的在于设计一种多功能、高适应度的机器人。本项目的主要创新点有： 1. 模块化设计，可进行多个模块组合拼接，可扩展性极强，具有多功能的特点。 2. 采用直流大扭矩电机驱动，克服同类机器人采用舵机功率小、行程小的缺点。 3. 完全自主机械设计，结构布局合理。蜗轮蜗杆自锁的设计可让机器人像舵机一样精确定位，且断电后仍可保持构型。 4. 自主设计高可靠度机械式连接件，可以使机器人互相对接、分离。（设计已申请专利保护）。 5. 解决了旋转体接线、位置反馈的问题，每个模块可360度旋转而不会发生绕线或者电位计超量程的现象。 6. 集总运算，分立控制的系统设计。每一个单独模块都有单片机做运动控制。同时复杂的计算由每个模块发给上位PC机运算，提高了运算、控制效率。 7. 串接式电路设计，最大支持128从机，为大规模模块化变形、组合提供了基础。 8. 上位机脚本化控制，使得多模块组合式运动的开发十分便捷。 9. 我们对模块组合成的机械臂进行了建模，同时采用了自己研究出的层次搜索法运动学逆解，具有耗时短，精度高的特点，克服了传统方法运动学逆解速度慢的问题。 10. 仿真平台与实时系统无缝对接。我们的仿真和上位机控制平台都是在matlab里完成的，仿真结果可直接实时发到硬件上验证。 技术关键在创新点中都有提及，技术指标包括逆解精度、转角控制精度、自动连接件可靠性等。

科学性、先进性

传统机器人因其自身结构限制难以适应工作环境和工作任务的变化，若因工作环境和工作任务的不同而重新对机器人进行开发，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，这种做法耗资巨大，开发周期长。 细胞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，由一些具有基本相同的几何尺寸和功能特征可互换的机器人“细胞”组成，可以根据任务需奥类似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。模块在通过自动连接件相互连接后，新模块就挂接在了总线上。且由于细胞间的可替换性，机器人就具有十分高的维护性。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

我们制作了机器人的人机交互界面，用户可以在界面中发送控制指令就可以控制机器人的工作。 本项目具有高度适应能力，可以通过改变构型完成各类不同的工作。而且由于细胞模块间可以相互替换，机器人的维护简易且成本低。 作为民用机器人，本项目适用于各种生产制造领域。目前先进流水生产线很多工序由机械臂完成。而机械臂的结构和功能在很大程度上由所加工的产品决定，当加工不同产品时生产线的改造成本占了产品生产成本的很大一部分（先进汽车生产线的生产线改造成本占汽车生产成本的比例高达40%）。细胞机器人可以在汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门发挥很大作用。 作为军用机器人，本项目设计可根据不同的作战空间和作战，自重构为相应的形状，用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。在灾难抢救等特殊紧急场合，本作品也能充分发挥其可异构、适应性强的特点；在外太空探测中，本作品由于能胜任的工作多、可循环重复利用，也将有良好的应用前景。

同类课题研究水平概述

国外对可重构机器人系统已经进行了大量的研究，目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机器人系统主要有两类：一类是动态可重构机器人系统；另一类是静态可重构机器人系统。 本项目制作的机器人既可以既可以作为静态可重构机器人系统使用，也可以作为动态可重构机器人系统来使用。 Pamecha和Chirikjian的构形变化机器人系统。它是由一套独立的机电模块组成的，每个模块都有连接，脱开及越过相邻模块的功能，每个模块没有动力，但允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块，构形改变是通过每个模块在相邻模块上的移动来实现的。这种系统具有动态自重构的能力。他们的模块与我们的项目有诸多相似之处，如每个模块无动力，均有连接。这种构型改变方式与本项目的构型改变方式不同，需要在相邻模块上移动，而本项目只需通过移动已连接上动力源的部件来与被连接模块进行机械连接，从而实现构型的改变。这比Pamecha的要自由，不必通过在相邻的模块上移动。 Murata等人提出了一种三维自重构结构，其模块为一种齐次结构且仅一种模块，通过一个模块在另一个模块上的运动来动态的组成各种结构，本项目也具有Murata的模块为齐次结构且仅一种模块的优点。 国内有人设计了这种连接件来实现重构机器人的连接，但是这种连接件对两个对接模块的位置精度要求非常高，自动连接时对位置要求严苛，很难实现自动重构。 但本项目的连接件可以在较大的位置误差内快速有效地实现高强度的连接，降低了控制的精度要求，从而降低了成本。