本文提出了一種新型模塊化機(jī)器人架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,該架構(gòu)以通用性、開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了各子系統(tǒng)需要考慮的設(shè)計(jì)原則,如結(jié)構(gòu)分離、功能分離、復(fù)用分離、開(kāi)放和可擴(kuò)展性原則等。同時(shí),本文還設(shè)計(jì)了模塊化功能封裝的相關(guān)技術(shù),并定義了子組件的實(shí)現(xiàn)方式。針對(duì)軟件系統(tǒng),提出了基于ROS的機(jī)器人模塊化控制軟件設(shè)計(jì)方法,對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和底層組件從定義、分類以及通信等各方面均作了詳細(xì)的闡述。對(duì)于在設(shè)計(jì)過(guò)程中各軟件模塊架構(gòu)和模型進(jìn)行了說(shuō)明。針對(duì)機(jī)器人控制某些組件的實(shí)時(shí)性問(wèn)題,也提出了對(duì)應(yīng)的解決辦法。以模塊化機(jī)器人設(shè)計(jì)系統(tǒng)規(guī)范為指引,在不同平臺(tái)對(duì)本文提出的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐和驗(yàn)證:1)模塊化即插即用機(jī)械臂系統(tǒng):介紹了機(jī)械臂Rinar的硬件和軟件系統(tǒng),突出了模塊化系統(tǒng)中即插即用的特點(diǎn),同時(shí)體現(xiàn)了模塊化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放、可擴(kuò)展的特點(diǎn)。2)模塊化移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng):描述了模塊化過(guò)程中硬件劃分和軟件分層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成,以及以PC為架構(gòu)的硬件系統(tǒng)功能區(qū)分和分層后各層次實(shí)現(xiàn)的功能。3)多機(jī)器人編隊(duì)系統(tǒng):通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)思路,將單個(gè)機(jī)器人作為獨(dú)立的模塊化節(jié)點(diǎn),在控制中采用分層控制方法,提高控制的有效性和靈活性。同時(shí),針對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡任務(wù),將模塊化機(jī)器人系統(tǒng)映射到表征空間進(jìn)行分析,解決在表征空間中如何將不可行任務(wù),轉(zhuǎn)換為可行任務(wù)的問(wèn)題,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。4)無(wú)人機(jī)系統(tǒng):為體現(xiàn)模塊化系統(tǒng)的通用性,設(shè)計(jì)了開(kāi)放的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng),并針對(duì)典型的抗干擾問(wèn)題,提出了新的控制方法。通過(guò)將本文提出的模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用于不同類型機(jī)器人平臺(tái)上,評(píng)估了該系統(tǒng)的整體性能,證明了本文提出的模塊化系統(tǒng)具有非常高的適用性和先進(jìn)性。該系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于功能單一的機(jī)械臂系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人,也可以在機(jī)器人編組系統(tǒng)中協(xié)助機(jī)器人整體完成復(fù)雜任務(wù)。同時(shí),對(duì)復(fù)雜程度更高的無(wú)人機(jī)系統(tǒng),該系統(tǒng)也可充分滿足其對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。通過(guò)以上基于模塊化智能體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人設(shè)計(jì)和控制,把單機(jī)器人面向任務(wù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和重構(gòu)與多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的自組織及相應(yīng)控制問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可為未來(lái)機(jī)器人或多機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)提供有效指導(dǎo)和參考。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文亞大學(xué)研制的模塊化機(jī)器人 CKbot，該機(jī)器人模塊通過(guò) C控制方式，并配有紅外收發(fā)器。CKbot 使用視覺(jué)反饋來(lái)，該機(jī)器人具有較強(qiáng)的構(gòu)型識(shí)別、自組裝、容錯(cuò)等能力。a Lab 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室[10-11]則設(shè)計(jì)了名為 LineForm 以及 Cha器人。每個(gè)關(guān)節(jié)（模塊）包括多個(gè)表面上的觸摸檢測(cè)、個(gè)伺服電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)確定有多少模、同時(shí)保留實(shí)時(shí)輸入和輸出的能力。ChainFORM 并不是塊并不能獨(dú)立運(yùn)作，它們是通過(guò) 根電源線串聯(lián)供電，算機(jī)通信的主板進(jìn)行集中控制。同時(shí)對(duì)鏈路中的模塊總以施加 0.8 公斤/厘米的扭矩，足以移動(dòng) 些小型物體并量。

圖 1-2 模塊化機(jī)器人 ModquadFig. 1-2 Modulized Robot:Modquad況看，機(jī)器人模塊化所研究的關(guān)鍵技術(shù)主要包件控制結(jié)構(gòu)計(jì)應(yīng)當(dāng)以用戶任務(wù)場(chǎng)景為基準(zhǔn)，如何構(gòu)建高效控制，是保證機(jī)器人完成任務(wù)的關(guān)鍵。 個(gè)良具備高度的自主性，能夠自動(dòng)處理任務(wù)場(chǎng)景中的人機(jī)交互方式，在用戶的幫助下處理少數(shù)無(wú)面對(duì)不同任務(wù)的時(shí)候，機(jī)器人的內(nèi)部功能部件與組合，擴(kuò)展機(jī)器人的能力范疇。與自定位技術(shù)要在較大的工作場(chǎng)景中進(jìn)行移動(dòng)才能完成任務(wù)，同時(shí)確定自身在場(chǎng)景中的位置，是機(jī)器人所

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文的特性[24-25]。本方案不是為了取代現(xiàn)有的組件模型（例如 UML 組件、軟件無(wú)線電組件、輕量級(jí) CCM）。相反，它著重于那些之前存在的模型未強(qiáng)調(diào)的但 RT 應(yīng)用系統(tǒng)所需要的結(jié)構(gòu)和行為特征。采用該標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人技術(shù)組件，對(duì)外將提供符合標(biāo)準(zhǔn)接口，并通過(guò)現(xiàn)有總線實(shí)現(xiàn)即插即用的機(jī)器人系統(tǒng)集成。
【參考文獻(xiàn)】

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