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·