可重构模块化工业机器人构形及其静力学探析

胡兆易

广东天机机器人有限公司 广东东莞 523000

[摘要]可重构模块化工业机器人，其柔性较高，由相对独立若干关节及连杆等模块所构成，各模块相互间有着良好的互换性及通用性。相比较于许多传统工业类型机器人，可重构模块化工业机器人的优势特点集中表现为：开发时间较短、高适用性及可靠性、低成本、维护便捷性等。那么，为更进一步地了解此类机器人，为后期高效落实相关设计应用工作，本文主要探讨可重构模块化工业机器人总体构形与其静力学，仅供业内相关人士参考。

[关键词]机器人；工业；模块化；重构；构形；静力学

前言：

可重构模块化工业机器人，借助自身的各模块，将更能满足给定的快速装配作业任务需求。所以，针对此类机器人整个系统而言所需具备的功能包含，用户可以便捷拆散及装配由不同模块所构成各种机器人的构形，确保其可满足特定运作要求；机器人的总体构形所用到的模块数及其模块类型尽量减少；用户修改相应控制软件过程当中，无复杂性的操作步骤；装配模块化机器人可立即参与工作，高效完成各项任务。可以说，此类机器人有着十分优异的功能特性，因此，为能够充分了解并利用此类机器人，则针对可重构模块化工业机器人总体构形与其静力学开展综合分析较为必要。

1、关于可重构模块化的工业机器综合系统设计

针对可重构模块化工业机器人综合系统的设计方面，以模块划分及其设计为主要内容。模块划分方面，应当充分考虑到此机器人实际的应用范围、各工件基本特点及其性能等。同时，模块自身应当符合原则，包含着各模块单元需独立且自装；各模块单元为能快速连接至其余任意模块单元；各模块单元应当为最小重量及其惯性；各模块单元应当有独立的运动学及其动力学。该机器人整个系统当中由一整套的模块构成，对于机械模块可划分成为基础单元、末端件、关节及连杆等各个模块。并且，关节模块当中还涉及移动、转动、回转这几个关节模块。针对模块划分上现有典型方法详细如下，如确立机器人相应模块库，把模块合理划分成为包含着模块单元的连接装置、末端关节、主关节、连杆等各个模块。连杆关节整体属于圆环截面的一种圆柱体形，可确保任意方向位置抗扭及抗弯能力，确保构造整个机械手更具柔性化的特点[1]。空心结构，则为模块质量及小转动惯量提供保障，基础件，便属于此模块范畴；针对主关节整个模块当中，可划分成移动及转动这两个关节模块，依照着驱动方式上可划分成R—Actuator—M、R-Actuator1,Link M、P—Actuatot M等。还设计单元连接装置，用于止口及销定位，借助螺栓联接；以RMMS系统为基础之下硬件模块相应划分方法，通过将机械手相应基础模块及连杆有效确立，且转动关节这一模块设3个，回转关节这一模块则设1个模块。针对基础及连杆模块均无自由度，关节模块含1个自由度，各个模块呈自封闭状态。系统硬件当以CPU、传动装置、驱动装置、传感装置及其接口、制动装置、传动装置、通讯接口、电机放大装置等为主。针对电器部分，结合模块化基本原理设计，选取基本功能相应母板及特殊功能部分子板，且设计集成化快速耦合连接装置，确保模块之间可实现快速连接。此外，模块化机器人整个系统当中，在单纯考虑到连杆及关节这两个模块条件之下，关节模块当中还需设转动、移动、螺旋、圆柱等这些关节模块。对于连杆模块，则需设为立方体及长方体，且多关节有效联接及几何对称，针对立方体整个六个表面部分设相应联接口，针对于长方体两侧各表面设相应联接口；此可重构模块化工业机器人整个系统模块，有着自封装系统功能，能够执行一些特定任务；整个模块有良好的驱动能力，特定运动及动作可快速完成；同时，系统自身通讯能力相对较强，各模块相互间可实现协调作业；此外，模块还有着良好的数据处理方面能力。可重构模块化工业机器人，不但确保硬件能够实现可重构，且应当重构所需用到的实时控制系统软件，如此才能适应机器人快速变化的应用范围现状。为确保系统软件能够实现可重构，则应当将可重构系统软件整个模块库开发及模块结合硬件构形、各项控制任务实施自动集成化等方面问题有效解决，计算机系统软件工程整个领域当中，现阶段相关研究者对软件重用方面做出大量深入研究，但对可重构系统软件方面研究依然鲜少，可重构模块化工业机器人相应控制软件实现可重构实践研究同样甚少。现有相关研究者以端口对象为基础，设计动态化可重构的实时软件，并以传感装置实时系统为基础设计研发多层的人机界面，将其应用至可重构模块化工业机器人当中，促使硬件能够实现可重构，且应当重构所需用到的实时控制系统软件。

2、总体构形设计与其静力学方面分析

2.1在构形设计方面

可重构模块化工业机器人整个系统，包括较多的功能模块，选取不同模块组合，便能装配成为各种模块化的机器人，针对此机器人实施构形设计，主要是为了找到最优化装配构形，确保能够更好地将给定工作完成。针对此机器人实施构形设计具体方法上所需考虑到问题详细如下：应当先将构形最适宜表达方法合理确定下来；而后，再将构形总体评价标准科学确定下阿里；再选取最适宜相应优化方法，将可满足于给定任务相应最优构形合理确定下来。针对构形具体表达方法上，现阶段部分研究者以图论概念为基础，把模块化机器人整个装配关系应用至装配关联相应矩阵，实现有效表达

[2]。并且，将装配构形综合评价函数有效确立起来，即，其属于机器人整个装配构形当中主要结构性能，其中的A代表着装配关联相应矩阵，而代表任务评价具体标准，主要表达着任务点整个集台内部最差条件之下机器人自身性能测值。依托遗传算法之下，对优化问题予以求解，获取机器人最佳构形。结合运动学方面设计任务基本要求，如关节处于极限范围当中运动及其避障、可达性各方面要求，单纯考虑到转动关节情况下，D—H参数所表达出运动学主要经由予以代换，运动现存可迭性方面判断问题得以解决。此外，还可以模拟退火为主要方法，对构形予以优化，或是借助遗传算法，对此机器人实施构形设计。

2.2在静力学方面

针对可重构模块化工业机器人自身静力学方面，即构形改变之后，要求其自动生成相应运动学及其动力学。运动模块技术，借助D—H参数，对各机械模块由输入至输出两个端口相互间存在运动关系，以4x4阶一种齐次变换处理矩阵达到转换目的[3]。对该机器人实施静力学综合分析了解到，指数积这一形式之下，先确立两个连杆及一个独立关节模块所构成的连接副运动学基础模型有效构建起来，并且表达成为指数积一种形式，结合机器人总体构形，指数连积后获取机器人一个前向的运动学。

3、结语

综上所述，通过此次对可重构模块化工业机器人总体构形与其静力学所开展综合分析可了解到，此类机器人自身所具备各项功能优势比较显著，结合实际需求情况，可对其构形予以合理设计，在充分把握其静力学基础上，便能够更加充分地利用该机器人从事各项生产运作活动。相信伴随机器人各项技术持续进步发展，其总体构形及其静力学方面优势将更为突出，为今后更加高效化地落实各项运作活动提供有力的设备及系统保障。

参考文献：

[1]陈晖，于殿勇，梁凤顺，郑阳.工业机器人实训平台模块化可重构硬件系统研究[J].机械制造与自动化,2023,52(2):93-95,100.

[2]董泽锋.工业机器人机械结构模块化设计[J].科学与信息化,2021(1):105.

[3]周柏李,方虹斌,徐鉴.模块化可重构机器人动力学研究进展[J].动力学与控制学报,2023,21(1):1-17.