智能系统：一种模块化可重构机器人系统的研制

第8卷第4期 智能系统学报 Vol.8 No.4 2013年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2013 D0I:10.3969/i.issn.1673-4785.201212053 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20130621.1541.004.html 一种模块化可重构机器人系统的研制 潘新安2，王洪光，姜勇，李正1，高文斌2 (1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重，点实验室，辽宁沈阳110016：2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：在教育和科研领域中，为使机器人兼有较好的重构能力与操作性能，研制了一种模块化可重构机器人系统 MRRES.提出了一种机器人模块划分及重构的方法，构建出机器人模块库，研制出集成传动、控制及传感于一体的系 列化关节模块.基于Open GL和VC++开发了具有建模、仿真和运动控制功能的应用软件MRR-SM.给出了一个基于 任务和模块库的机器人设计实例，进行了实验测试.实验结果表明，MRRES系统模块划分和设计合理，机器人在保证 重构能力的同时具有较好的操作性能，可应用于教育和科研等领域. 关键词：模块化可重构机器人；模块划分及重构：关节模块：应用软件：设计实例 中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1673-4785(2013)04-0292-07 中文引用格式：潘新安，王洪光，姜勇，等.一种模块化可重构机器人系统的研制[J].智能系统学报，2013,8(4)：292-298。 英文引用格式：PAN Xin'an,WANG Hongguang,JIANG Yong,etal.Development of a modular reconfigurable robot system[J] CAAI Transactions on Intelligent Systems,2013,8(4):292-298. Development of a modular reconfigurable robot system PAN Xin'an'2,WANG Hongguang',JIANG Yong',LI Zheng',GAO Wenbin'2 (1.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049.China) Abstract:To obtain both high reconfiguration ability and manipulating performance for applications in education and research areas,a modular reconfigurable robot experimental system(MRRES)was developed.First,a module division and reconfiguration method was proposed,next a module library was established,and then a series of joint modules with integrated transmission,control,and sensing systems were developed.Based on Open GL and VC++, the software MRR-SIM incorporating the functions of modeling,simulation,and motion control was developed.A task-and-module-library based illustrative example was presented,and finally a robot was tested.The results of the experiments show that the proposed division method and the design of the MRRES are appropriate,the high recon- figuration ability and high manipulating performance were achieved,and the system was applicable to the applica- tions in education and research settings. Keywords:modular reconfigurable robot;module division and reconfiguration;joint module;application software; design example 在教育和科研等领域应用机器人时，由于任务 构型多变的需求然而，由于受其自身结构的局限， 的多样性或研究目的的不同，对机器人的构型有着 MRR的刚度、精度和负载自重比等指标往往都不能 多样化的需求传统的机器人由于其构型是固定的， 令人满意因此，如何使机器人能兼具较好的重构能 难以满足这种需求.而模块化可重构机器人(MRR) 力和操作性能成为当前MRR研究领域的一个重要 具有灵活地更改构型的能力，因此可以较好地满足 研究方向 美国卡内基梅隆大学研制的可重构模块化机器 收稿日期：2012-12-27.网络出版日期：2013-06-21 人系统(RMMS)[是早期有代表性的模块化机器 基金项目：国家“863”计划资助项目(2012AA041401):国家自然科学 基金资助项目(60905048). 人之一，其采用快速接口，重构过程方便简单，但其 通信作者：潘新安.E-mail:panxinan@sia.cm 构型数量较少且自重较大.德国宇航中心的LWR-

第 ８ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．８ №．４ ２０１３ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ． ２０１３ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１２１２０５３ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１３０６２１．１５４１．００４．ｈｔｍｌ 一种模块化可重构机器人系统的研制 潘新安１，２ ，王洪光１ ，姜勇１ ，李正１ ，高文斌１，２ （１．中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 １１００１６； ２．中国科学院大学，北京 １０００４９） 摘 要：在教育和科研领域中，为使机器人兼有较好的重构能力与操作性能，研制了一种模块化可重构机器人系统 ＭＲＲＥＳ．提出了一种机器人模块划分及重构的方法，构建出机器人模块库，研制出集成传动、控制及传感于一体的系 列化关节模块．基于 Ｏｐｅｎ ＧＬ 和 ＶＣ＋＋开发了具有建模、仿真和运动控制功能的应用软件 ＭＲＲ⁃ＳＩＭ．给出了一个基于 任务和模块库的机器人设计实例，进行了实验测试．实验结果表明，ＭＲＲＥＳ 系统模块划分和设计合理，机器人在保证 重构能力的同时具有较好的操作性能，可应用于教育和科研等领域． 关键词：模块化可重构机器人；模块划分及重构；关节模块；应用软件；设计实例 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１３）０４⁃０２９２⁃０７ 中文引用格式：潘新安，王洪光，姜勇，等． 一种模块化可重构机器人系统的研制［Ｊ］．智能系统学报， ２０１３， ８（４）： ２９２⁃２９８． 英文引用格式：ＰＡＮ Ｘｉｎ’ａｎ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， ＪＩＡＮＧ Ｙｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１３， ８（４）： ２９２⁃２９８． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ＰＡＮ Ｘｉｎ’ａｎ １，２ ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ １ ， ＪＩＡＮＧ Ｙｏｎｇ １ ， ＬＩ Ｚｈｅｎｇ １ ， ＧＡＯ Ｗｅｎｂｉｎ １，２ （１． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｂｏｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅａｓ， ａ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｒｏｂｏｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ （ＭＲＲＥＳ） ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｆｉｒｓｔ， ａ ｍｏｄｕｌｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ｎｅｘｔ ａ ｍｏｄｕｌｅ ｌｉｂｒａｒｙ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔ ｍｏｄｕｌｅｓ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ｃｏｎｔｒｏｌ， ａｎｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｐｅｎ ＧＬ ａｎｄ ＶＣ＋＋， ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＭＲＲ⁃ＳＩＭ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ａ ｔａｓｋ⁃ａｎｄ⁃ｍｏｄｕｌｅ⁃ｌｉｂｒａｒｙ ｂａｓｅｄ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｖｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ＭＲＲＥＳ ａｒｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ， ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｃｏｎ⁃ ｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａ⁃ ｔｉｏｎｓ ｉｎ ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｅｔｔｉｎｇｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｒｏｂｏｔ； ｍｏｄｕｌｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ； ｊｏｉｎｔ ｍｏｄｕｌｅ； ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ； ｄｅｓｉｇｎ ｅｘａｍｐｌｅ 收稿日期：２０１２⁃１２⁃２７． 网络出版日期：２０１３⁃０６⁃２１． 基金项目：国家“８６３”计划资助项目（２０１２ＡＡ０４１４０１）；国家自然科学 基金资助项目（６０９０５０４８）． 通信作者：潘新安． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｐａｎｘｉｎａｎ＠ ｓｉａ．ｃｎ． 在教育和科研等领域应用机器人时，由于任务 的多样性或研究目的的不同，对机器人的构型有着 多样化的需求．传统的机器人由于其构型是固定的， 难以满足这种需求．而模块化可重构机器人（ＭＲＲ） 具有灵活地更改构型的能力，因此可以较好地满足 构型多变的需求．然而，由于受其自身结构的局限， ＭＲＲ 的刚度、精度和负载自重比等指标往往都不能 令人满意．因此，如何使机器人能兼具较好的重构能 力和操作性能成为当前 ＭＲＲ 研究领域的一个重要 研究方向． 美国卡内基梅隆大学研制的可重构模块化机器 人系统（ＲＭＭＳ） ［１⁃２］ 是早期有代表性的模块化机器 人之一，其采用快速接口，重构过程方便简单，但其 构型数量较少且自重较大．德国宇航中心的 ＬＷＲ⁃

第4期 潘新安，等：一种模块化可重构机器人系统的研制 .293. Ⅲ)是模块化机器人中性能最为突出的代表之一， 该机器人着眼于关节的模块化设计以及机器人的轻 质、高性能设计.德国SCHUNK公司的PowerCube系 列模块化机器人是已成功商业化应用的典型例 (b)3自由度 (c)4自由度(d)5自由度(e)6自由度 子4，早期的版本中关节模块都是方形的，且有多个 图1 MRRES的系统组成 表面均可连接，因此构型灵活，但机器人的刚度和精 Fig.1 System composition of the MRRES 度不足.新的PowerCube转动关节是回转体，并且基 本系统可以按照指定的构型，通过模块之间的 于这种关节的LWA3机械臂具有更好的性能，但系 机械和电气的连接，方便快捷地组装出机器人本体， 统的开放性有待提高，且其价格较贵.上海未来伙伴 图1(b)~(e)所示为几种常用的典型构型.机器人 机器人有限公司研制的模块化机械臂[)是国内具 本体与上位机之间连接且上电之后，系统可自主识 有代表性的商业产品之一，其设计基于SCHUNK的 别出机器人的当前构型[0)，并由上位机软件对机 PowerCube模块化机器人，具有较好的开放性，但机 器人进行控制和监控：可建立机器人三维几何模型、 器人的精度和刚度有待提高，且电缆是外走线方式。 运动学模型，进行轨迹规划，对机器人进行伺服控制 上海英集斯自动化技术有限公司生产的模块化机械 等.上位机软件还可单独运行，在仿真环境下建立机 手臂[具有较高的刚度，但其模块化与重构的思想 器人的虚拟样机系统，对机器人进行仿真 尚不够彻底其他研究者或单位也分别开发了各具 1.2系统特点 特点的模块化可重构机器人[) MRRES具有以下特点： 1 MRRES系统 1)采用全开放式架构，可实现2~6自由度多种 构型的机械臂实验平台的快速搭建，且支持用户设 1.1系统构成与功能 计构型（需另设计连杆）； MRRES系统主要包含3个部分：模块化机器人 2)具有较好的操作性能（精度、刚度等）： 本体系统、上位机控制系统（含上位机软件一套）及 3)具有分布式控制系统，模块化关节内部集成 直流稳压电源各一套，如图1(a)所示.其中，模块化 了机械传动、控制、传感、通讯等子系统： 机器人本体系统包含一系列的模块，如表1所示 4)全开放式编程环境，支持用户调用VC++类 表1机器人本体的模块 Table 1 Modules of the robot 库对机器人进行实时或离线编程： 5)上位机控制软件既可脱离实际机械臂单独 序号 模块类型 代号数量额定负载 运行，也可对实际机械臂进行运动控制，且支持二者 转动关节模块1 令 2 140Nm 2 转动关节模块-m R w 之间运行程序的无缝连接： 36 Nm 3 转动关节模块s R 1 6 Nm 6)内部走线，外形简洁安全，拆装方便等. 4 平移关节 T 1 260N 2 夹爪模块 G MRRES系统设计 1 4 kg 6 垂直连杆1 4 2.1机器人模块化划分与重构 7 垂直连杆2 L 3 对于一个模块化机器人系统，要用较少数量的 8 直连连杆 3 平行连杆 模块实现较多的构型且有较好的操作性能，合理的 10 基座模块 模块划分方法是关键模块划分需考虑以下原则： 急停开关 上位机软件 机器人本体 1)功能的相对独立性：划分的模块应具有明确 上位机 且相对独立的功能： 2)合适的粒度：适当地划分粒度使机器人既具 有较多的构型和较好的操作性能，又不致模块种类 直流电源 过多而使系统繁杂且可靠性降低： 3)模块的互换性与可重用性：模块具有标准的 机械和电气接口，同类模块具有互换性，同一个模块 (a)MRRES的系统组成 在不同构型中可以重用： 4)系统的开放性：系统的软、硬件均具有开放

ＩＩＩ ［３］是模块化机器人中性能最为突出的代表之一， 该机器人着眼于关节的模块化设计以及机器人的轻 质、高性能设计．德国 ＳＣＨＵＮＫ 公司的 ＰｏｗｅｒＣｕｂｅ 系 列模块化机器人是已成功商业化应用的典型例 子［４］ ．早期的版本中关节模块都是方形的，且有多个 表面均可连接，因此构型灵活，但机器人的刚度和精 度不足．新的 ＰｏｗｅｒＣｕｂｅ 转动关节是回转体，并且基 于这种关节的 ＬＷＡ ３ 机械臂具有更好的性能，但系 统的开放性有待提高，且其价格较贵．上海未来伙伴 机器人有限公司研制的模块化机械臂［５］ 是国内具 有代表性的商业产品之一，其设计基于 ＳＣＨＵＮＫ 的 ＰｏｗｅｒＣｕｂｅ 模块化机器人，具有较好的开放性，但机 器人的精度和刚度有待提高，且电缆是外走线方式． 上海英集斯自动化技术有限公司生产的模块化机械 手臂［６］具有较高的刚度，但其模块化与重构的思想 尚不够彻底．其他研究者或单位也分别开发了各具 特点的模块化可重构机器人［７⁃９］ ． １ ＭＲＲＥＳ 系统 １．１ 系统构成与功能 ＭＲＲＥＳ 系统主要包含 ３ 个部分：模块化机器人 本体系统、上位机控制系统（含上位机软件一套）及 直流稳压电源各一套，如图 １（ａ）所示．其中，模块化 机器人本体系统包含一系列的模块，如表 １ 所示． 表 １ 机器人本体的模块 Ｔａｂｌｅ １ Ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ 序号 模块类型 代号 数量 额定负载 １ 转动关节模块⁃ｌ Ｒｌ ２ １４０ Ｎｍ ２ 转动关节模块⁃ｍ Ｒｍ ３ ３６ Ｎｍ ３ 转动关节模块⁃ｓ Ｒｓ １ ６ Ｎｍ ４ 平移关节 Ｔ １ ２６０ Ｎ ５ 夹爪模块 Ｇ １ ４ ｋｇ ６ 垂直连杆 １ Ｌ１ ４ — ７ 垂直连杆 ２ Ｌ２ ３ — ８ 直连连杆 Ｉ ３ — ９ 平行连杆 Ｐ １ — １０ 基座模块 Ｂ １ — （ａ）ＭＲＲＥＳ 的系统组成 图 １ ＭＲＲＥＳ 的系统组成 Ｆｉｇ．１ Ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＭＲＲＥＳ 本系统可以按照指定的构型，通过模块之间的 机械和电气的连接，方便快捷地组装出机器人本体， 图 １（ｂ） ～ （ ｅ）所示为几种常用的典型构型．机器人 本体与上位机之间连接且上电之后，系统可自主识 别出机器人的当前构型［１０⁃１１］ ，并由上位机软件对机 器人进行控制和监控；可建立机器人三维几何模型、 运动学模型，进行轨迹规划，对机器人进行伺服控制 等．上位机软件还可单独运行，在仿真环境下建立机 器人的虚拟样机系统，对机器人进行仿真． １．２ 系统特点 ＭＲＲＥＳ 具有以下特点： １）采用全开放式架构，可实现 ２ ～ ６ 自由度多种 构型的机械臂实验平台的快速搭建，且支持用户设 计构型（需另设计连杆）； ２）具有较好的操作性能（精度、刚度等）； ３）具有分布式控制系统，模块化关节内部集成 了机械传动、控制、传感、通讯等子系统； ４）全开放式编程环境，支持用户调用 ＶＣ＋＋类 库对机器人进行实时或离线编程； ５）上位机控制软件既可脱离实际机械臂单独 运行，也可对实际机械臂进行运动控制，且支持二者 之间运行程序的无缝连接； ６）内部走线，外形简洁安全，拆装方便等． ２ ＭＲＲＥＳ 系统设计 ２．１ 机器人模块化划分与重构 对于一个模块化机器人系统，要用较少数量的 模块实现较多的构型且有较好的操作性能，合理的 模块划分方法是关键．模块划分需考虑以下原则： １）功能的相对独立性：划分的模块应具有明确 且相对独立的功能； ２）合适的粒度：适当地划分粒度使机器人既具 有较多的构型和较好的操作性能，又不致模块种类 过多而使系统繁杂且可靠性降低； ３）模块的互换性与可重用性：模块具有标准的 机械和电气接口，同类模块具有互换性，同一个模块 在不同构型中可以重用； ４）系统的开放性：系统的软、硬件均具有开放 第 ４ 期 潘新安，等：一种模块化可重构机器人系统的研制 ·２９３·

·294· 智能系统学报 第8卷 性，能够兼容具有标准接口的外部模块组件 一系列的规格和数量，这些模块组成了一个模块库 基于以上原则，从功能上把机器人大致划分为 如图4(a)所示.通过对模块按照一定的规则进行排 基座类、关节类、连杆类和末端执行器类四大类部 列和组合，可以得到一系列的机器人构型，并可以用 件，构建出基本的机器人模块库.关节模块提供运动 树的形式表示[o].以三自由度机械臂为例，在不考 自由度，集成了完备且相对独立的机械传动、控制、 虑单种关节的数量限制，且不考虑与末端执行器连 传感等系统，而连杆模块起到连接的作用如图2所 接的种类时，可以组成的构型如图4(b)所示，总共 示，关节模块设计成简单的圆柱形轮廓，而连杆模块 有85种构型，其中边上的数字表示可能的连接种类 则主要分为平行连杆、垂直连杆和直连连杆，它们所 的数量. 代表的连接关系如图3所示. 基座 BB.. 模块 RR 转 动 R R 节 R, 平 模块库 移 一0大 L,, (a)转动关节 (b)平移关节 末端 执行器 GG (a)模块库 R (c)垂直连杆1 (d)垂直连杆2 3 R 3/4 4/2 3/ ©©©©©©©© (b)三自由度构型 图4机器人模块库和构型 (e)直连连杆 ()平行连杆(g)末端执行器 Fig.4 Module library and configurations 图2机器人模块及其坐标系 Fig.2 Modules and their coordinate systems 2.2关节模块的设计 这里主要介绍一个典型模块即转动关节模块的 4 设计.转动关节整体方案如图5(a)所示，采用微型 节 直流无刷伺服电机-行星减速器-谐波减速器的传 动方式.为保证机器人在掉电时能保持当前位姿，关 关节 关节i 关节 关节 节具有电磁安全制动器.关节设有软件限位、传感器 限位及机械限位三重限位机制，保护关节不超过最 (a)垂直1(b)垂直2(c)直连(d)平行 大运动范围.关节的传感系统主要包含编码器、电位 图3连杆的连接关系 计及霍尔传感器等.关节的输入及输出机械接口均 Fig.3 Connections of the links 采用止口定位，由螺钉紧固. 模块通过系列化设计，每一种模块可能会存在

性，能够兼容具有标准接口的外部模块组件． 基于以上原则，从功能上把机器人大致划分为 基座类、关节类、连杆类和末端执行器类四大类部 件，构建出基本的机器人模块库．关节模块提供运动 自由度，集成了完备且相对独立的机械传动、控制、 传感等系统，而连杆模块起到连接的作用．如图 ２ 所 示，关节模块设计成简单的圆柱形轮廓，而连杆模块 则主要分为平行连杆、垂直连杆和直连连杆，它们所 代表的连接关系如图 ３ 所示． （ａ）转动关节 （ｂ）平移关节 （ｃ）垂直连杆 １ （ｄ）垂直连杆 ２ （ｅ）直连连杆 （ｆ）平行连杆 （ｇ）末端执行器 图 ２ 机器人模块及其坐标系 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍｓ （ａ） 垂直 １ （ｂ） 垂直 ２ （ｃ） 直连 （ｄ） 平行 图 ３ 连杆的连接关系 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｋｓ 模块通过系列化设计，每一种模块可能会存在 一系列的规格和数量，这些模块组成了一个模块库， 如图 ４（ａ）所示．通过对模块按照一定的规则进行排 列和组合，可以得到一系列的机器人构型，并可以用 树的形式表示［１０⁃１２］ ．以三自由度机械臂为例，在不考 虑单种关节的数量限制，且不考虑与末端执行器连 接的种类时，可以组成的构型如图 ４（ ｂ）所示，总共 有 ８５ 种构型，其中边上的数字表示可能的连接种类 的数量． （ａ）模块库 （ｂ） 三自由度构型 图 ４ 机器人模块库和构型 Ｆｉｇ．４ Ｍｏｄｕｌｅ ｌｉｂｒａｒｙ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ２．２ 关节模块的设计 这里主要介绍一个典型模块即转动关节模块的 设计．转动关节整体方案如图 ５（ ａ）所示，采用微型 直流无刷伺服电机－行星减速器－谐波减速器的传 动方式．为保证机器人在掉电时能保持当前位姿，关 节具有电磁安全制动器．关节设有软件限位、传感器 限位及机械限位三重限位机制，保护关节不超过最 大运动范围．关节的传感系统主要包含编码器、电位 计及霍尔传感器等．关节的输入及输出机械接口均 采用止口定位，由螺钉紧固． ·２９４· 智 能 系 统 学 报 第 ８ 卷

第4期 潘新安，等：一种模块化可重构机器人系统的研制 ·295· 输出电气接口 输出法兰 环控制算法实现等：驱动单元实现直流无刷电动机 的转速控制和换相控制，并且控制制动器的开合：电 电位计 源转换单元通过开关电源芯片和线性降压芯片将 谐波齿轮 外壳 24V的总线电源转换为模块控制器中各种电子元器 电缆 诚速机构 件、芯片所需要的电压等级， 行星齿轮 减速机构 后线 上位机 模块控模块控模块控 L制1儿制器2制器3制塞3 直流无刷电机 24v贵 电磁制动器 (a)控制系统 编码器 模块 驱动单元 控制器 输入电气接口 输人法兰 控制单元 (a)转动关节方案 电源转换单元 编码器制动器电气接口输出法兰 输人 (b)关节模块控制器 法当 图7机器人控制系统设计 外壳 谐波 Fig.7 Control system design of the robot 减速器 基于Open GL和VC++,开发了上位机应用软 件MRR-SIM,可对机器人系统进行建模、仿真和运 电位计 关节控制器电机行星减速器 动控制等.软件主要有5个子功能模块：几何建模、 运动学正解、运动学逆解、轨迹规划及实时控制，其 (b)转动关节结构 中2项如图8所示.软件具有一定的独立性，既可单 图5转动关节机械设计方案 独运行，又可通过CAN总线对机器人本体进行控制 Fig.5 Mechanical design schemes of joint modules 和交互. 此外，设计的部分连杆模块如图6所示. 图6部分连杆模块 Fig.6 Some link modules 2.3控制系统设计 每个关节内部都集成有一套功能完整的模块控 制器，这些模块控制器组成了基于CAN总线的分布 (a)几何建模 式控制网络.如图7(a)所示，上位机及各个模块控 制器都是CAN总线的节点.辨识线用于机器人上电 后系统对自身构型进行自动辨识[o 如图7(b)所示，关节模块控制器主要由驱动单 元、控制单元和电源转换单元组成，其功能分别为电 机驱动、控制、状态检测及电源转换等.控制单元采 用DSP作为中央处理器，包含CAN总线接口、位置 (b)轨迹规划 反馈检测、电机电流检测、限位与零位检测、构型辨 图8软件设计 识等扩展电路，实现与上位机及其他模块通讯、 Fig.8 Software design PWM输出、传感器信号接收与处理、制动器控制、闭

（ａ）转动关节方案 （ｂ）转动关节结构 图 ５ 转动关节机械设计方案 Ｆｉｇ．５ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔ ｍｏｄｕｌｅｓ 此外，设计的部分连杆模块如图 ６ 所示． 图 ６ 部分连杆模块 Ｆｉｇ．６ Ｓｏｍｅ ｌｉｎｋ ｍｏｄｕｌｅｓ ２．３ 控制系统设计 每个关节内部都集成有一套功能完整的模块控 制器，这些模块控制器组成了基于 ＣＡＮ 总线的分布 式控制网络．如图 ７（ ａ）所示，上位机及各个模块控 制器都是 ＣＡＮ 总线的节点．辨识线用于机器人上电 后系统对自身构型进行自动辨识［１０］ ． 如图 ７（ｂ）所示，关节模块控制器主要由驱动单 元、控制单元和电源转换单元组成，其功能分别为电 机驱动、控制、状态检测及电源转换等．控制单元采 用 ＤＳＰ 作为中央处理器，包含 ＣＡＮ 总线接口、位置 反馈检测、电机电流检测、限位与零位检测、构型辨 识等扩展电路， 实现与上位机及其他模块通讯、 ＰＷＭ 输出、传感器信号接收与处理、制动器控制、闭 环控制算法实现等；驱动单元实现直流无刷电动机 的转速控制和换相控制，并且控制制动器的开合；电 源转换单元通过开关电源芯片和线性降压芯片将 ２４Ｖ 的总线电源转换为模块控制器中各种电子元器 件、芯片所需要的电压等级． （ａ）控制系统 （ｂ）关节模块控制器 图 ７ 机器人控制系统设计 Ｆｉｇ．７ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ 基于 Ｏｐｅｎ ＧＬ 和 ＶＣ＋＋，开发了上位机应用软 件 ＭＲＲ⁃ＳＩＭ，可对机器人系统进行建模、仿真和运 动控制等．软件主要有 ５ 个子功能模块：几何建模、 运动学正解、运动学逆解、轨迹规划及实时控制，其 中 ２ 项如图 ８ 所示．软件具有一定的独立性，既可单 独运行，又可通过 ＣＡＮ 总线对机器人本体进行控制 和交互． （ａ）几何建模 （ｂ）轨迹规划 图 ８ 软件设计 Ｆｉｇ．８ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ 第 ４ 期 潘新安，等：一种模块化可重构机器人系统的研制 ·２９５·

·296· 智能系统学报 第8卷 上位机应用软件的主要功能有： 如图10所示构型，该构型由5个转动关节、4个垂 1)机械臂虚拟样机模型的建立：可建立多种典 直连杆、1个平行连杆、1个直连连杆及1个夹爪组 型构型的虚拟样机模型，给出机械臂的正、逆运动学 成，模块尺寸如图11和表2所示. 模型，并且支持用户设计构型（需另外设计专用连 夹爪 连杆L6 杆模块) 关节R 2)机械臂的运动仿真：基于虚拟样机模型，根 连杆L, 关节R 据指定的运动信息，在虚拟环境中仿真机械臂运动 连杆L 软件还具有对规划好的序列点文件进行仿真验证的 关节R 连杆L, 功能，经仿真验证之后的序列点可通过本软件直接 关节R 控制实际机械臂运动， 连杆L 3)实际机械臂的运动控制：根据输入的运动位 关节R, 连杆L 置等信息，对机械臂进行运动控制.也可根据规划的 序列点文件控制机械臂完成目标运动. 777 4)虚拟样机与实物的关联与同步：软件的可视 (a)机构简图 (b)CAD模型 化仿真环境中的虚拟样机与实际机械臂直接关联， 图10一种机器人构型 实现机器人运动信息等数据的交互传递，从而实现 Fig.10 A configuration 虚拟样机与实际机械臂的同步运动. 3实例分析与实验 输出 3.1实例分析 对于给定的作业任务，可以从众多构型中优选 合适的构型，并用模块库中的模块组成对应的机械 (a)关节(b)垂直连杆1(c)垂直连杆2 臂完成作业.这种基于任务和模块库的模块化可重 构机器人的应用流程如图9所示. 任务描述/设计约束 1软件操作 确定机器人构型 注：图中单位为mm 模块库 (虚拟) 虚拟样机建模 (d)连杆L (e)连杆L, (f)夹爪 运动学、动 图11关节模块及连杆的尺寸 仿真验证 力学、轨迹 规划等算法 Fig.11 Dimensions of the joint and link modules 表2模块尺寸 模块库 装配物理样机 Table 2 Dimensions of the modules mm 实物) 上电，调试，标定 尺寸RR.R,L2L4LL6 1701431338590.566.579 执行作业任务 b ---99.571.58466.5 完成作业，下电，拆解入库 在上位机软件中建立机器人的三维几何模型及 图9 MRRES系统的应用流程 运动学模型.规划出字符“SIA”的轨迹，并在软件 Fig.9 Flow chart of the application of the MRRES MRR-SIM中对其进行了验证（如图12(a)、(b)所 基于上述流程，这里给出一个实例分析.设定任 示).仿真结果显示，机器人写字过程中运动平稳、无 务目标是在空间中写字，作业要求机器人末端在空 干涉现象随后从模块库中选择相应的模块，完成机 间上能到达任意点，并要求笔总是垂直于某一个面， 器人的装配.上电后机器人自动识别构型，并自动回 但不必要求控制笔绕自身轴线的旋转自由度，因此 零.通过CAN总线将序列点发送到各个模块控制器 机器人在空间上需要5个独立的自由度.这里选取 中，机器人各关节进行多轴同步运动，完成写字任

上位机应用软件的主要功能有： １）机械臂虚拟样机模型的建立：可建立多种典 型构型的虚拟样机模型，给出机械臂的正、逆运动学 模型，并且支持用户设计构型（需另外设计专用连 杆模块）． ２）机械臂的运动仿真：基于虚拟样机模型，根 据指定的运动信息，在虚拟环境中仿真机械臂运动． 软件还具有对规划好的序列点文件进行仿真验证的 功能，经仿真验证之后的序列点可通过本软件直接 控制实际机械臂运动． ３）实际机械臂的运动控制：根据输入的运动位 置等信息，对机械臂进行运动控制．也可根据规划的 序列点文件控制机械臂完成目标运动． ４）虚拟样机与实物的关联与同步：软件的可视 化仿真环境中的虚拟样机与实际机械臂直接关联， 实现机器人运动信息等数据的交互传递，从而实现 虚拟样机与实际机械臂的同步运动． ３ 实例分析与实验 ３．１ 实例分析 对于给定的作业任务，可以从众多构型中优选 合适的构型，并用模块库中的模块组成对应的机械 臂完成作业．这种基于任务和模块库的模块化可重 构机器人的应用流程如图 ９ 所示． 图 ９ ＭＲＲＥＳ 系统的应用流程 Ｆｉｇ．９ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＭＲＲＥＳ 基于上述流程，这里给出一个实例分析．设定任 务目标是在空间中写字，作业要求机器人末端在空 间上能到达任意点，并要求笔总是垂直于某一个面， 但不必要求控制笔绕自身轴线的旋转自由度，因此 机器人在空间上需要 ５ 个独立的自由度．这里选取 如图 １０ 所示构型，该构型由 ５ 个转动关节、４ 个垂 直连杆、１ 个平行连杆、１ 个直连连杆及 １ 个夹爪组 成，模块尺寸如图 １１ 和表 ２ 所示． （ａ）机构简图 （ｂ）ＣＡＤ 模型 图 １０ 一种机器人构型 Ｆｉｇ．１０ Ａ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ （ａ）关节 （ｂ）垂直连杆 １ （ｃ）垂直连杆 ２ （ｄ）连杆 Ｌ３ （ｅ）连杆 Ｌ１ （ｆ）夹爪 图 １１ 关节模块及连杆的尺寸 Ｆｉｇ．１１ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｌｉｎｋ ｍｏｄｕｌｅｓ 表 ２ 模块尺寸 Ｔａｂｌｅ ２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｍｍ 尺寸 Ｒｌ Ｒｍ Ｒｓ Ｌ２ Ｌ４ Ｌ５ Ｌ６ ａ １７０ １４３ １３３ ８５ ９０．５ ６６．５ ７９ ｂ — — — ９９．５ ７１．５ ８４ ６６．５ 在上位机软件中建立机器人的三维几何模型及 运动学模型．规划出字符“ ＳＩＡ” 的轨迹，并在软件 ＭＲＲ⁃ＳＩＭ 中对其进行了验证（如图 １２（ ａ）、（ ｂ） 所 示）．仿真结果显示，机器人写字过程中运动平稳、无 干涉现象．随后从模块库中选择相应的模块，完成机 器人的装配．上电后机器人自动识别构型，并自动回 零．通过 ＣＡＮ 总线将序列点发送到各个模块控制器 中，机器人各关节进行多轴同步运动，完成写字任 ·２９６· 智 能 系 统 学 报 第 ８ 卷

第4期 潘新安，等：一种模块化可重构机器人系统的研制 ·297· 务，如图12(c)所示. 10*10 =(1n)2=(1m)2=(/m) j=1 j-l =1 (1) 式中：xy为靶球坐标的测量值.由式(1)求得机 器人末端的位置集群的球半径为R=0.1mm,即机 6 器人的重复定位精度为±0.1mm. 根据规范要求[1)，需要在规定位姿沿3个坐标 >×10 6 轴的方向进行测试，由于3个方向的测试方法一致， y/mm x/mm 这里仅对竖直方向(：向)进行加载测试.所测位姿 -4×10 为q=[0°60°90°82°39].所加负载依次为0、1、 (a)轨迹规划 1.5、2、2.5、3、3.5、4kg.以无负载时机器人的位姿为 基准，经计算得到各个负载下的z向变形量为（单位 mm,符号表方向)： 4= [-0163-0317-0421-0476-05%6-068-0772]' 变形量与负载的关系如图14所示.经计算，机器人 末端在此位姿下的：向静态柔顺度为 (b)仿真验证 (c)写字过程 c.=0.772/40mm/N=0.0193mm/N. 图12写字实验 Fig.12 Writing-letter experiment 0℉ 3.2实验测试 -0.2 参照国家标准GB/T12642-2001工业机器人性 -0.4 能规范及试验方法[]，对机器人的精度和静态柔顺 -0.6 度进行了测量.如图13所示，机器人本体重量 -0. 800510152.0253035.0 24kg,末端负载4kg,测量设备为Leica激光跟踪 负载/g 仪，在2.5m×5m×10m的空间内测量精度为 图14机器人末端变形量与负载的关系 10 um+5 um/m. Fig.14 Relationship between deflections and payloads 上述结果表明，与其他模块化可重构机器人相 比s6],本文研究的模块化可重构机器人实验系统 MRRES具有较好的重复定位精度和静态柔顺度. 4结论 1)以功能的独立性、合理的粒度、互换性、可重 用性及开放性为原则，构建出基本的机器人模块库： 2)研制出集成传动、控制及传感于一体的系列 图13机器人和实验设备 化的关节模块： Fig.13 The robot and the experimental device 3)基于Open GL和VC++开发了具有建模、仿 根据重复定位精度的测试规范]，位置集群的 真和运动控制等功能的应用软件MRR-SM: 球半径Rp为 4)研制了模块化可重构机器人实验系统 Rp,=I+38:. MRRES,给出了实例分析和性能测试，结果表明该 系统既有较好的重构能力，又有较好的操作性能，可 式中： 1=(m8: 应用于教育和科研等领域 s=1/(n-1)24,-i02, 参考文献： 4=√(g-x)2+(y-y)2+(-2)2, [1]SCHMITZ D,KHOSLA P,KANADE T.The CMU reconfig-

务，如图 １２（ｃ）所示． （ａ）轨迹规划 （ｂ）仿真验证 （ｃ）写字过程 图 １２ 写字实验 Ｆｉｇ．１２ Ｗｒｉｔｉｎｇ⁃ｌｅｔｔｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ３．２ 实验测试 参照国家标准 ＧＢ ／ Ｔ １２６４２⁃２００１ 工业机器人性 能规范及试验方法［１３］ ，对机器人的精度和静态柔顺 度进 行 了 测 量． 如 图 １３ 所 示， 机 器 人 本 体 重 量 ２４ ｋｇ，末端负载４ ｋｇ，测量设备为 Ｌｅｉｃａ 激光跟踪 仪，在 ２．５ ｍ× ５ ｍ× １０ ｍ 的 空 间 内 测 量 精 度 为 １０ μｍ＋５ μｍ ／ ｍ． 图 １３ 机器人和实验设备 Ｆｉｇ．１３ Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ 根据重复定位精度的测试规范［１３］ ，位置集群的 球半径 ＲＰ ｌ 为 ＲＰ ｌ ＝ 􀭰ｌ ＋ ３Ｓｉ ． 式中： 􀭰ｌ ＝ （１ ／ ｎ）∑ ｎ ｊ ＝ １ ｌ ｊ， Ｓｉ ＝ １ ／ （ｎ － １）∑ ｎ ｊ ＝ １ （ｌ ｊ － 􀭰ｌ） ２ ， ｌ ｊ ＝ （ｘｊ － ｘ􀭰） ２ ＋ （ｙｊ － ｙ􀭰） ２ ＋ （ｚｊ － 􀭰ｚ） ２ ， ｘ􀭰＝ （１ ／ ｎ）∑ ｎ ｊ ＝ １ ｘｊ，ｙ􀭰＝ （１ ／ ｎ）∑ ｎ ｊ ＝ １ ｙｊ，􀭰ｚ ＝ （１ ／ ｎ）∑ ｎ ｊ ＝ １ ｚｊ ． （１） 式中：ｘｊ、ｙｊ、ｚｊ 为靶球坐标的测量值．由式（１）求得机 器人末端的位置集群的球半径为 ＲＰ ｌ ＝ ０．１ ｍｍ，即机 器人的重复定位精度为±０．１ ｍｍ． 根据规范要求［１３］ ，需要在规定位姿沿 ３ 个坐标 轴的方向进行测试，由于 ３ 个方向的测试方法一致， 这里仅对竖直方向（ ｚ 向） 进行加载测试．所测位姿 为 ｑ ＝ ［０° ６０° ９０° ８２° ３９°］ Ｔ ．所加负载依次为 ０、１、 １．５、２、２．５、３、３．５、４ ｋｇ．以无负载时机器人的位姿为 基准，经计算得到各个负载下的 ｚ 向变形量为（单位 ｍｍ，符号表方向）： Δ ＝ ［－ ０．１６３ － ０．３１７ － ０．４２１ － ０．４７６ － ０．５９６ － ０．６８８ － ０．７７２］ Ｔ ． 变形量与负载的关系如图 １４ 所示．经计算，机器人 末端在此位姿下的 ｚ 向静态柔顺度为 ｃｚ ＝ ０．７７２ ／ ４０ ｍｍ ／ Ｎ ＝ ０．０１９ ３ ｍｍ ／ Ｎ． 图 １４ 机器人末端变形量与负载的关系 Ｆｉｇ．１４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐａｙｌｏａｄｓ 上述结果表明，与其他模块化可重构机器人相 比［５⁃６］ ，本文研究的模块化可重构机器人实验系统 ＭＲＲＥＳ 具有较好的重复定位精度和静态柔顺度． ４ 结 论 １）以功能的独立性、合理的粒度、互换性、可重 用性及开放性为原则，构建出基本的机器人模块库； ２）研制出集成传动、控制及传感于一体的系列 化的关节模块； ３）基于 Ｏｐｅｎ ＧＬ 和 ＶＣ＋＋开发了具有建模、仿 真和运动控制等功能的应用软件 ＭＲＲ⁃ＳＩＭ； ４） 研 制 了 模 块 化 可 重 构 机 器 人 实 验 系 统 ＭＲＲＥＳ，给出了实例分析和性能测试，结果表明该 系统既有较好的重构能力，又有较好的操作性能，可 应用于教育和科研等领域． 参考文献： ［１］ＳＣＨＭＩＴＺ Ｄ， ＫＨＯＳＬＡ Ｐ， ＫＡＮＡＤＥ Ｔ． Ｔｈｅ ＣＭＵ ｒｅｃｏｎｆｉｇ⁃ 第 ４ 期 潘新安，等：一种模块化可重构机器人系统的研制 ·２９７·

·298· 智能系统学报 第8卷 urable modular manipulator system,CMU-RI-TR-88-7[R]. tonomous online identification of configurations for modular Pittsburgh:Carnegie Mellon University,1988. reconfigurable robot[J].Journal of Mechanical Engineer- [2]PAREDIS C J J.An agent-based approach to the design of ig,2011,47(8):17-24. rapidly deployable fault tolerant manipulators D].Pitts- [12]赵广志，王洪光，刘玉旺.关节型模块化机器人构型及 burgh:Carnegie Mellon University,1996:1-45. 运动学研究[J].机械设计与制造，2010(4)：178-180. [3]ALBU-SCHAFFER A,EIBERGER O,GREBENSTEIN M, ZHAO Guangzhi,WANG Hongguang,LIU Yuwang.Re- et al.Soft robotics[J].IEEE Robotics and Automation Mag- search on configuration and kinematics of joint modular ro- azine,2008,15(3):20-30. bots [J].Machinery Design Manufacture,2010(4): [4]Schunk GmbH,Co.KG.Schunk modular robotics.2012- 178-180. 12-11].http://www.schunk-modular-robotics.com/. [13]胡景谬，刘桂雄，陆际联.GB/T12642-2001工业机器 [5]Shanghai Xpartner Robotics Co.,Ltd.Research plateform 人性能规范及试验方法[S].北京：中国标准出版社， for industrial robots.2012-12-15 ]http://www.xpartner. 2001:12-15,32. cn/downloads/evox/evox ino.pdf. HU Jingliao,LIU Guixiong,LU Jilian.GB/T 12642-2001 [6]Shanghai Ingenious Automation Technology Co.,Ltd.[2012- Industrial robots-performance criteria and related test meth- 11-10].http://www.ingenious.cn/product/robot. ods [S].Beijing:China Standard Publishing House, [7]Engineering Services Inc.RTI-Pair of modular robots. 2001:12-15,32. [2012-11-15].http://www.esit.com/robotics-rt1.php. 作者简介： [8]史士财，谢棕武，倪风雷，等.高集成度空间机械臂模块 潘新安，男，1982年生，博士研究 化关节的研制[J].西安交通大学学报，2007,41(2)： 生，主要研究方向为机器人机构学 162-166. SHI Shicai,XIE Zongwu,NI Fenglei,et al.Development of high integration modular joint for space manipulator[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University,2007,41(2):162- 166. [9]邵志宇，孙汉旭，贾庆轩，等.一种空间机械臂构造模块的 王洪光，男，1965年生.研究员，博 研制[J].宇航学报，2007,28(1)：147-151 士生导师，主要研究方向为机器人机构 SHAO Zhiyu,SUN Hanxu,JIA Qingxuan,et al.Develop- 学、特种机器人和机电一体化技术等。 ment of a configuration module for space manipulator[]. 发表学术论文50余篇，获得发明和实 Journal of Astronautics,2007,28(1):147-151. 用新型专利20余项. [10]PAN Xin'an,WANG Hongguang,JIANG Yong,et al. Automatic kinematic modelling of a modular reconfigurable robots[J].Transactions of the Institute of Measurement 姜勇，男，1975年生.副研究员，博 and Control,doi:10.1177/0142331212459538. 士，主要研究方向机器人控制、智能控 [11]姜勇，王洪光，潘新安，等.模块化可重构机器人的构 制理论与方法、嵌入式控制系统、特种 形在线自主识别[J].机械工程学报，2011,47(15)： 机器人系统与应用等.发表学术论文20 17-24. 余篇参与编写专著2部. JIANG Yong,WANG Hongguang,PAN Xin'an,et al.Au-

ｕｒａｂｌｅ ｍｏｄｕｌａｒ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ， ＣＭＵ⁃ＲＩ⁃ＴＲ⁃８８⁃７［Ｒ］． Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ： Ｃａｒｎｅｇｉｅ Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， １９８８． ［２］ＰＡＲＥＤＩＳ Ｃ Ｊ Ｊ． Ａｎ ａｇｅｎｔ⁃ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒａｐｉｄｌｙ ｄｅｐｌｏｙａｂｌｅ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ ［ Ｄ］． Ｐｉｔｔｓ⁃ ｂｕｒｇｈ： Ｃａｒｎｅｇｉｅ Ｍｅｌｌｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， １９９６： １⁃４５． ［３］ＡＬＢＵ⁃ＳＣＨＡＦＦＥＲ Ａ， ＥＩＢＥＲＧＥＲ Ｏ， ＧＲＥＢＥＮＳＴＥＩＮ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔｉｃｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｍａｇ⁃ ａｚｉｎｅ， ２００８， １５（３）： ２０⁃３０． ［４］ Ｓｃｈｕｎｋ ＧｍｂＨ， Ｃｏ． ＫＧ． Ｓｃｈｕｎｋ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｏｂｏｔｉｃｓ． ［ ２０１２⁃ １２⁃１１］． ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｓｃｈｕｎｋ⁃ｍｏｄｕｌａｒ⁃ｒｏｂｏｔｉｃｓ．ｃｏｍ／ ． ［５］ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｘｐａｒｔｎｅｒ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｌａｔｅｆｏｒｍ ｆｏｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔｓ． ［ ２０１２⁃１２⁃１５］． ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ． ｘｐａｒｔｎｅｒ． ｃｎ ／ ｄｏｗｎｌｏａｄｓ／ ｅｖｏｘ ／ ｅｖｏｘ＿ｉｎｏ．ｐｄｆ． ［６］Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｇｅｎｉｏｕｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．［２０１２⁃ １１⁃１０］． ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｉｎｇｅｎｉｏｕｓ．ｃｎ ／ ｐｒｏｄｕｃｔ ／ ｒｏｂｏｔ． ［ ７ ］ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ． ＲＴ１⁃Ｐａｉｒ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｏｂｏｔｓ． ［２０１２⁃１１⁃１５］． ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｓｉｔ．ｃｏｍ／ ｒｏｂｏｔｉｃｓ⁃ｒｔ１．ｐｈｐ． ［８］史士财， 谢宗武， 倪风雷，等． 高集成度空间机械臂模块 化关节的研制［ Ｊ］．西安交通大学学报， ２００７， ４１（ ２）： １６２⁃１６６． ＳＨＩ Ｓｈｉｃａｉ， ＸＩＥ Ｚｏｎｇｗｕ， ＮＩ Ｆｅｎｇｌｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｒ ｊｏｉｎｔ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２００７， ４１（ ２）： １６２⁃ １６６． ［９］邵志宇，孙汉旭，贾庆轩，等．一种空间机械臂构造模块的 研制［Ｊ］． 宇航学报， ２００７， ２８（１）： １４７⁃１５１． ＳＨＡＯ Ｚｈｉｙｕ， ＳＵＮ Ｈａｎｘｕ， ＪＩＡ Ｑｉｎｇｘｕａｎ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐ⁃ ｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ［ Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ， ２００７， ２８（１）： １４７⁃１５１． ［１０］ ＰＡＮ Ｘｉｎ’ ａｎ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， ＪＩＡＮＧ Ｙｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ａ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｒｏｂｏｔｓ ［ Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ， ｄｏｉ： １０．１１７７ ／ ０１４２３３１２１２４５９５３８． ［１１］姜勇， 王洪光， 潘新安，等． 模块化可重构机器人的构 形在线自主识别［ Ｊ］． 机械工程学报， ２０１１， ４７（ １５）： １７⁃２４． ＪＩＡＮＧ Ｙｏｎｇ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， ＰＡＮ Ｘｉｎ’ａｎ， ｅｔ ａｌ． Ａｕ⁃ ｔｏｎｏｍｏｕｓ ｏｎｌｉｎｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｒｏｂｏｔ［ Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ⁃ ｉｎｇ， ２０１１， ４７（８）： １７⁃２４． ［１２］赵广志， 王洪光， 刘玉旺． 关节型模块化机器人构型及 运动学研究［Ｊ］． 机械设计与制造， ２０１０（４）： １７８⁃１８０． ＺＨＡＯ Ｇｕａｎｇｚｈｉ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， ＬＩＵ Ｙｕｗａｎｇ． Ｒｅ⁃ ｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔ ｍｏｄｕｌａｒ ｒｏ⁃ ｂｏｔｓ ［ Ｊ］． Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ， ２０１０ （ ４）： １７８⁃１８０． ［１３］胡景镠， 刘桂雄， 陆际联． ＧＢ／ Ｔ １２６４２⁃２００１ 工业机器 人性能规范及试验方法［ Ｓ］． 北京：中国标准出版社， ２００１： １２⁃１５， ３２． ＨＵ Ｊｉｎｇｌｉａｏ， ＬＩＵ Ｇｕｉｘｉｏｎｇ， ＬＵ Ｊｉｌｉａｎ． ＧＢ／ Ｔ １２６４２⁃２００１ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔｓ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈ⁃ ｏｄｓ ［ Ｓ ］． Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｃｈｉｎａ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ， ２００１： １２⁃１５， ３２． 作者简介： 潘新安，男，１９８２ 年生，博士研究 生，主要研究方向为机器人机构学． 王洪光，男，１９６５ 年生，研究员，博 士生导师，主要研究方向为机器人机构 学、特种机器人和机电一体化技术等． 发表学术论文 ５０ 余篇，获得发明和实 用新型专利 ２０ 余项． 姜勇，男，１９７５ 年生，副研究员，博 士，主要研究方向机器人控制、智能控 制理论与方法、嵌入式控制系统、特种 机器人系统与应用等．发表学术论文 ２０ 余篇．参与编写专著 ２ 部． ·２９８· 智 能 系 统 学 报 第 ８ 卷