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模块化机器人设计

摘要
如今，机器人发展突飞猛进，机器人服务已经覆盖了人们生活、工作、娱乐方方方面。伴随人类需求不停增长，对机器人领域探索也越走越远，机器人模块化技术已在各个领域产品研究和开发中广泛应用。于老式机器人相对比，模块化机器人柔性更好，自修复能力强柔性高，且容错性强、成本较低。模块化构造较简朴，便于加工，各模块能互相替代，组装快捷简便。由于模块化机器人构造和功能可重组性，对任务和环境有很强适应能力。采用模块化技术，有助于机器人维护和保养，缩短了机器人设计时间。因此，本文将采用模块化措施开发一种新机器人系统，但愿有助于改善目前机器人控制复杂、通用性差和操作繁琐等问题。本文一共分为六个部分，第一部分绪论重要概括模块化机器人研究背景、意义和国内外模块化机器人研究现实状况，第二部分探讨了机器人模块化设计原理和措施，第三部分重要讨论了机器人控制系统设计，第四部分分析机器人主从控制方略。第五部分概述了机器人构型，最终进行了小结。
关键词：机器人；模块化；系统设计；构型

Abstract
Nowadays, the development of robots is advancing by leaps and bounds. Robot service has covered all aspects of people's life, work and entertainment. With the increasing demand of human beings, the exploration of robot field is more and more far away. Robot modularization technology has been widely used in product research and development in various fields. Compared with the traditional robot, modular robot is more flexible, self repairing ability, high flexibility, and good fault tolerance and low cost. The modular structure is simple, easy to process, each module can replace each other, and the assembly is quick and easy. Because of the reconfiguration of modular robot structure and function, it has a strong adaptability to task and environment. Modular technology is beneficial to the maintenance and maintenance of robots, and shortens the time of robot design. Therefore, this paper will use modular method to develop a new robot system, in the hope of improving the complexity of robot control, low universality and tedious operation. This paper is divided into six parts, the first part is the introduction mainly summarizes the modular robot research background, significance and research status quo of inside and outside of the modular robot, the second part discusses the design principle and method of modular robot, the third part mainly discusses the design of robot control system, the fourth part of the analysis of the master-slave robot control strategy. In the fifth part, the configuration of robot is summarized, and finally a brief summary is made.
Key words: robot; modularization; system design; configuration

目 录
摘要 1
Abstract 2
第一章 绪论 4
1.1研究背景及意义 4
1.2国内外研究现实状况 4
第二章 机器人模块化设计原理及设计措施 5
2.1模块划分 5
2.1.1模块化思想概述 5
2.1.2模块划分原理 6
2.2模块化设计措施 6
2.3随遇平衡实现 7
2.3主机器人模块 8
2.3.1 I模块 8
2.3.2 T模块 9
2.3.3 应用模块化措施效果 10
3.1控制系统硬件设计 10
3.2单片机最小系统模块 11
3.3 CAN通信模块设计 11
3.4控制器设计 12
第四章 机器人主从控制方略 12
4.1从机器人系统搭建 12
4.2同构型主从控制方略 13
4.3镜像同构型主从控制方略 14
第五章 机器人构型 16
第六章 结论 18
参照文献 19

第一章 绪论
1.1研究背景及意义
机器人构造不一样，通用性也不一样样。研究模块化机器人意义，重要是为了改善机器人通用性，因此要设计出变化构型后能完毕任务机器人。模块化机器人可以在不一样任务规定、工作环境下，通过变化自身仅有几种模块连接次序或方式而获得多种不一样构型机器人系统。这些不一样构型之间可以通过简朴地变化模块之间连接次序就可以互相转化。这种组合并不是简朴机械装配，参与各个模块都是一种集通信、控制、驱动和传动为一体单元，使组合成系统满足不一样工作环境或不一样任务规定。相比老式机器人，模块化机器人具有柔性高、容错性强和自修复能力强、成本低等长处。模块化构造简朴，易于加工，各模块之间可以互相替代，实现迅速组装。因此，本文将采用模块化措施研究开发一种新型主机器人系统，以处理目前主机器人通用性差、控制复杂和操作不直观等重要问题。
1.2国内外研究现实状况
国内外学者在模块化机器人方面研究成果较丰富，尤其是国外，诸多机器人系统已经商业化了，如瑞士Omega 7.0机器人，法国MPB Techn机器人，美国研发出phantom Desktop，以及gies企业生产出Freedom6S机器人和Haptic Technologies企业开发Excalibur机器人等。早先研发出这些机器人在构型上都是固定，比较死板，无法按照任务规定在构型上作出对应变化;机器人自由度完全是固定，不利于保证主从控制实时性与稳定性;当实际任务发生变化时，由于主机器人无法胜任工作，必须重新研发其他机器人，导致成本和工作量增长。可见，主机器人通用性问题是研发机器人要处理重要问题。
二十一世纪以来，国内某些机器人研发部门对模块化机器人展开了深入研究，其中工业机器人研究最多。张玉华（哈尔滨工业大学机器人研究所）认为可以研发一种模块化可重构机器人系统，有助于模块迅速构成多种阵列网格式整体构型，使模块化机器人整体构造既有阵列式特点，又有串联式特点;张玉华采用相对方位矩阵来阐释模块间相对关系以及模块周围环境，建立了模块化机器人各个模块运动规则库。
赵广涛（清华大学）提出了一种新可重构机器人单元组合模块理论，对机器人摆动、旋转这两个关节进行了设计，研发出了摆动模块和旋转模块，巴东模块有独立构造，旋转模块有运动功能，设计出辅助模块可以完毕整体组合构造重构，减少了设计和分析模块化机器人难度。
刘金国（沈阳自动化研究所）一种模块化链式移动机器人构造，提出了基于组合计数原理递归算法，用于多模块变形机器人非同构构形计数。
李树军（东北大学）也探讨了一种模块化可重构工业机器人，设计了三大类模块—关节模块、连杆模块和辅助模块，并采用基于指数坐标运动学求解措施。
可以看出，模块化工业机器人还重要处在研究和起步阶段，模块化机器人应用也重要是针对某些高端领域，重要集中于某些大学及研究所科研领域研究，儿乎没有工业生产方面应用。模块化机器人所具有灵活性、对环境强大适应性以及工作范围可扩展性，必然会成为未来工业机器人领域一种重要趋势，尤其是伴随人类对外太空等某些人类无法抵达领域涉足，就更需要比老式机器人更优越机器人来取代人类进行探索。
第二章 机器人模块化设计原理及设计措施
2.1模块划分
2.1.1模块化思想概述
模块化思想并不是一种新奇概念，最早被称为积木拼搭方式,所谓积木拼搭系统，就是把原则化部件拼装构成一种装置或一种系统，用组件批量生产来减少成本,用互换性来改善维修保养性能，同步提高系统柔性。模块设计思想运用到工业机器人设计中可以缩短产品开发、生产周期,减少生产成本,提高设计反复使用性,增长系统可靠性,同步可以根据客户需要对系统进行合理配置,以不满不一样市场需求,模块与系统之间存在如下几种方面关系：一是模块具有独立功能，二是模块功能需要在整体系统中得以实现，三是模块具有原则可速配输入输出接日，尺寸上连接分离装置是必须，此外信息、能量等输入输出接口也是实现整体系统功能所必需具有。
模块化工业机器人中模块是一种个互相独立机械功能模块单元，模块之间可以实现迅速连接和分离，每个模块都是一种集通信、控制、驱动、传动为一体单元，模块之间容许动力和信息输入并且可以通过该模块输入到其他相邻模块。同步，构成模块化机器人模块需具有如下几种功能特性:一是每个模块都应当可以独立完毕某一特定功能，互相之间彼此独立，这样就可以减小整机系统模块之间关联性，使机器人设计和加工愈加迅速有效;二是当模块分为积极模块和被动模块时，每一种积极模块都应当具有单独控制和驱动系统，并且可以驱动被动模块完毕特定机械动作;三是各模块之间可以以便地组合装配，不仅要保证机械连接可以迅速有效，，同步还要保证互相之间可以实现电气、信息、能量等方面传播；四是各个模块在动力学、运动学上也应具有独立性，机器人祸合性非常强，应尽量保证模块在运动学和动力学上独立性。
2.1.2模块划分原理
模块划分及创立原理有两种，一种是基于功能分析模块创立原理， 一种是基于相似特性聚类模块创立原理。基于功能分析模块创立原理，重要对产品进行功能分解，建立功能层次模型，然后在该模型基础上结合模块划分中功能独立、构造完整等原则进行模块划分。
2.2模块化设计措施
进行模块化设计时，首先必须进行模块分解，按照一定原则将系统分解成若干模块，然后以模块为基本单元进行构型设计。因此，模块划分合理性对模块化系统性能、外观以及模块通用化程度和成本均有很大影响。模块划分措施有诸多，例如按物理功能划分(例如机械、电气、软件等)、按制造方式划分、按系统构成构造划分等，不一样划分措施得到模块化系统截然不一样。机器人系统作为一种综合控制、电子、机械、软件等多领域复杂机电系统，以机械构造为根据分解系统是一种理想模块化措施。一般，模块化产品构成模式可用一种简朴公式体现:系统=通用模块(不变部分)+专用模块(变动部分)。要抵达目并操作以完毕任务，机器人系统一般具有移动和作业两个基本功能。机器移动是由驱动器带动合适构型关节构造实现，而作业功能一般是由所谓执行器完毕。
考虑到主机器人构造和功能特点，结合上面描述模块化分解措施，我们把主机器人分解成关节模块(即通用模块)和功能模块(即专用模块)。分析转轴与自身轴线之间关系，可知运动构型中包括两种基本关节:回转关节和摆动关节。回转关节转轴与自身轴线重叠或平行，称之为I关节。摆动关节转轴与自身轴线垂直，称之为T型关节。关节模块就包括I关节模块和T关节模块，这两种模块都拥有单一自由度。功能模块可以根据实际需要设计，这里设计有手柄模块。
根据模块化规定和主机器人构造功能规定，模块化主机器人设计应遵照如下原则:
(l)舒适性。(2)独立完整。 (3)质轻紧凑。(4)简易互换。(5)精确性。(6)模块种类精简。根据以上原则，本文设计了两种自由度单转动关节模块，即I模块和T模块，作为基本模块，尚有功能模块，即操作手柄(H模块)。应用这两种关节模块可以灵活地构建多种主机器人本体，再加上一种或两个手柄模块，可以以便地控制多种从机器人系统。
2.3随遇平衡实现
在操作过程中，伴随主机器人位姿变化，各关节所支撑构造质心位置跟伴随变化，由此产生重力矩大小也不停发生变化，会使机器人部分或者整体有向下倾斜趋势。因此在设计时要保证主机器人到达随遇平衡，即当不受外力作用时候，可以克服自身重量，在任何位置和姿态都能保持静止状态。
为了研制构造简朴、控制简朴、操作性能好、低成本且能实现完全平衡主机器人，本课题采用增大关节阻尼方式，在关节模块内安装缓冲器，缓冲器具有恒定阻尼，且产生反力矩约等于主机器人在极限位置时重力矩，从而实现系统随遇平衡。
以常见5自由度操作臂构型为例，校核缓冲器扭矩。机器人构型中，两端分别为基座和手柄，中间是3个转动轴互相平行T所示，主机器型关节串接，两端与T型关节串之间分别通过l个I型关节连接.其构型如式(2一l)所示:
B-I1^T1ïïT2ïïT3^I2-H (2一l)
式中，B表达基座，H表达手柄，T表达T型关节模块，I表达I型关节模块，土和日分别表达相邻2个关节模块转轴之间垂直和平行关系。图2-2-a)是主机器人构型图，图2-2-b)是主机器人实物图。最大负载时构造是当Tl关节转角为90。，后续关节“一”摆开时，TI关节受到扭矩最大。

图2-2最大负载时构造图
通过计算得Tl往后构造质量为m=604.139，重心位置为X=一4.97mm，Y=-0.42mm，z=180.08，力臂长为==180.15mm，则Tl受到扭矩为M=mgL=1 .07N·m。我们选用扭矩恒为IN·m缓冲器，由于这是机器人极限位置，基本上不会抵达这个极限，因此扭矩也是不不小于该极限值，再加上关节摩擦力，可以使机器人保持随遇平衡同步，保证操作舒适性。选用缓冲器是FUJI企业生产单向摩擦式缓冲器，图2-3显示了两种关节模块分别选用缓冲器，考虑到安装以便，两种缓冲器构造有所不一样，I模块选用缓冲器安装方式是通过凸台与模块中凹槽配合实现，这样是由I模块转动轴与构造轴线重叠以及径向尺寸有限决定;而T模块选用缓冲器安装方式则是通过单边法兰固定实现，这是由T模块转动轴与构造轴线垂直以及构造轴线上空间比转动轴线上富余决定。缓冲器详细参数见表2-1。

图2-3两种模块选用缓冲器
表2-1模块用缓冲器

2.3主机器人模块
2.3.1 I模块
I模块转轴与自身构造轴线重叠，具有回转运动功能。I模块重要包括两个互相旋转基座、转动轴、编码器和缓冲器等零件。由于主机器人运动是由操作者手动驱动，因此模块不需要有电机等动力源。
我们发现仅通过螺钉只能轴向定位转动轴，但轴还是可以切向窜动，这对一种需要精确转动零件来说是不能容忍，因此我们增长了切向定位构造，如图2一4所示，通过增长凸台，使得两个相对转动件在切向上有平面接触。通过这种改善，转动轴切向定位效果非常好，与旋转基座2固连成一体。

图2-4工模块旋转基座2与转动轴之问切向定位构造
2.3.2 T模块
T模块转轴与自身轴线垂直，具有摆动功能。T模块重要包括两个互相摆动
基座、转动轴、编码器和缓冲器等零件。T模块同样不需要动力源。
T模块与I模块具有相似零部件，但构造却完全不一样，由于I模块实现是回转
运动，因此转动有关零件包括转动轴、编码器、缓冲器等，均可与模块自身轴线重
合，不过T则必须是垂直，否则传动构造将很复杂。
孔进入到T模块内腔与控制器连接。
在T模块内同样有个双层圆状控制器，用于提供编码器电源、控制关节模块转
角信号采集并与CAN总线进行通信。不一样类型模块控制器是完全同样，可以相
互替代，这样也实现系统电气上模块化。控制器通过两个双头螺柱和螺钉与摆动基座
l固定连接。摆动基座l两侧也有对称两个直方孔，作为USB外接线与外电源总线和
CAN总线连接通道。
T模块两端同样有统一机械接口，可以通过卡环便捷地与两端模块串联对接。
模块尺寸为中40X109.8mm，为了减轻重量，主体材料采用铝合金，整个模块质量更轻，
仅有149.79。T模块摆动范围为士110。，其整体外形构造如图2-5所示。

图2-5关节模块外形构造图
2.3.3 应用模块化措施效果
我们研制了一系列主机器人模块，包括I模块、T模块、手柄模块和基座模块等等，这些模块可以以便地、灵活地连接组合成多种可以随遇平衡主机器人机构。通过模块化设计，我们研制主机器人系统有如下长处:一是成本低:模块大都是原则、可大规模制造，因此在搭建主机器人系统时设计、制造、装配和维修成本将比用老式措施低诸多。二是具有可重构性、控制直观。通过变化模块之间连接或组合来变化系统构造。这样系统可以根据从机器人需要灵活地调整构型以适应任务规定，主从机器人构型靠近，则控制程序简朴且控制操作直观。三是具有通用性。只需几种原则模块，就可以构成多种主机器人系统应对多种构型从机器人。根据任务规定，可以增长或者减少模块而不影响其他模块正常工作。四是改型设计和研制周期低:由于根据任务变化规定也许只需改善个别模块，不需所有重新设计，这样工作量就会减小。此外由于系统功能分割成多种模块，而模块之间互相独立，任务被分解可以减小复杂性并且能单独并行开展，因此当需要对机器人进行修改时，设计和研制周期将大大缩短。五是构造简朴、装配以便:我们选用缓冲器实现系统随遇平衡，并且使转动部件转动轴与模块轴线重叠等措施，大大简化了机械构造，并且考虑到构造对称性和可替代性，使系统装配连接简朴、安全可靠。六是操作舒适:主机器人系统可以根据操作者需要，调整自己构型，使得整个过程中姿态、位置更以便操作。第三章 机器人控制系统设计
3.1控制系统硬件设计
控制器负责采集关节模块角位移和手柄开关信号，并把这些信号传送到CAN总线上，同步从总线上接受发给该模块控制信号。整个控制电路包括主控芯片最小系统模块、信号采集模块(鉴相计数模块)、电源模块、通信模块、编程下载与仿真接口模块等，整个电路硬件框图如图3一1所示。该电路完毕了传感器与按钮信号采集、与总线通信、以及传感器电源供应等三大功能，是主机器人精确控制从机器人不可缺乏部分。本节将详细简介该控制器电路工作原理。

图3一1扩展控制电路硬件框图
3.2单片机最小系统模块
本通信节点电路采用美国cygnal企业生产、完全集成系统型芯片c805lF043微控制器。尺寸小，在同系列芯片中，它是封装尺寸最小单片机，这是我们狭小模块空间所需要;集成了完全支持CAN2.OA和CAN2.OBCAN控制器，符合我们想运用单片机加CAN接受器实现CAN通信规定;它内部还带有JTAG接口，容许在MCU上进行非侵入式(不占用片内资源)调试，使调试变得非常以便;采用流水线处理构造，平均指令速率达25MIPS，满足我们实时性规定。综上这些功能，阐明该主控芯片非常适合该电路设计规定。由于单片机内部晶振器频率跨度很大，从24MHz到25MHz，不符合需要精确控制主机器人规定，所认为了提高系统稳定性，系统在稳定工作后采用外部振荡器，出于空间考虑，选用晶体四脚无源贴片晶振XS一3225作为振荡器。外部晶体配置电路中两个30PF电容提供晶体对振荡所需要负载。晶体振荡器电路对PcB布局非常敏感，因此将晶体靠近微控制器XTAL引脚，与两个XLAL引脚连线尽量地短并且尽量平行，以防止多出连线引入噪声或干扰。
3.3 CAN通信模块设计
设计中，C805lF043CAN控制器串行数据输出线CANTx和串行数据输入线CANRX分别连接到收发器PCA82C25O接受引脚TXD和发送脚RXD。PCA82C25O收发器通过两个总线终端CANH和CANL与总线连接，这两个输出引脚具有差动发送和接受功能。引脚RS作为斜率控制电阻输入端与地之间电阻为斜率电阻，该电阻具有分流作用。在波特率较低状况下，一般采用斜率控制方式，电阻选择在16一140KQ之间，这里选用为47KQ。参照电压引脚Vcc，电源电压选用SV电压。Vref作为基准电压输出端，这里采用悬空处理。而CANH，CANL脚是信号输入输出，实现对电平信号传送，完毕通信传播。分别在CANH、CANL两个引脚和CAN总线之间串接一种SQ限流电阻，当过流时电阻发热，阻值变大，保护82C250免受过流冲击;在CANH和CANL与地之间分别反接l个保护二极管，可起到一定过压保护作用，制止发送器输出级破坏;并联2个30PF小电容，可以滤除总线上高频干扰和电磁辐射。CANH，CANL脚之间串连一种124Ω匹配电阻和一种跳线接口，当该通信节点用在总线一端时，就加上跳线帽，使匹配电阻接进电路中，用于消除长距离线反射所引起干扰。CAN总线两端两只匹配电阻对于匹配总线阻抗具有相称重要作用，保证了通信抗干扰性及可靠性。CAN通信模块电路原理图和PCB图见参照附录。
3.4控制器设计
为了使每个模块也实现电气上模块化，控制器必须是紧凑、尺寸小并且具有高控制性能与通信性能。控制器负责采集关节角位移或手柄开关信号，并把这些信号传送到总线上，同步从总线上接受发给该模块控制信号。采用新华龙企业c805lF043作为主控芯片，主频为24MHZ，负责对编码器转角信息和手柄开关量进行搜集，并运用其内部CAN控制器与外部CAN收发器实现与CAN总线信号传播，接受上位机控制命令。编码器信号鉴相计数电路由3个四位可逆计数器74Lsl93串联而成，其输出为12位二进制数，将其初值设为即2048，逆时针旋转时，测量范围为2048一1024，顺时针旋转时，测量范围为2048一3072，满足编码器精度采集规定，计数电路数据输出DO一Dll送至主控芯片处理。
第四章 机器人主从控制方略
4.1从机器人系统搭建
从机器人是任务执行者，因此必须具有运动和作业两种基本功能。运动是由驱动器带动合适构型关节构造实现。根据模块化设计一般原则，我们同样设计了模块化从机器人系统。该系统包括两种关节模块(I模块和T模块)和多种功能模块。关节模块都具有单一转动自由度，I模块转动轴线与自身轴线垂直，T模块转动轴线与自身轴线重叠，通过了两代开发和优化分析设计，关节模块性能到达了很好状态。关节模块有相似机械安装接口，可以以便地互相连接。应用这两种基本单自由度关节，可以组建多种机器人主体。功能模块机械连接接口与关节模块同样，因此可以以便地把它串联在机器人主体一端或两端，不一样功能模块结合机器人主体可以构建多种机器人系统用于实现不一样作业任务如操作臂作业或者爬杆、爬树等功能，如图4-1中所示。

图4-1模块从机器人系统
4.2同构型主从控制方略
采用位姿一位姿型控制方略，控制系统如图4-2所示。主机器人和从机器人各自有自己传感系统。操作主机器人时，主从机器人各自检测自己位姿，当主从位姿不一样步，
必然存在位姿差，根据该位姿差信号驱动从机器人动作，让从机器人一直跟随主机器人位姿，直到两者完全重叠为止。

图4-2位姿一位姿型控制系统方框图
同构型主机器人采用双手柄构型H1-···-H2，主从机器人主体构型同样，自由度数目和运动藕合方式相似。此时主从机器人构造上不一样就是末端执行器，从机器人是两个末端执行器(以攀爬机器人为例，则是夹持器)，主机器人是两个手柄。对于控制5一DoFs攀爬机器人Climbot主从控制系统构型如4-3所示。主从之间对应模块长度尺寸为常数，工作空间之比也是该常数。因此，可以用主机器人各个关节位移量直接控制从机器人各个关节运动。此时映射关系为:

主从机器人之间对应关节一一映射，包括末端执行器(H1对应于G1，H2对应于G2)。作者可以两手各个持握两个手柄，根据期望从机器人运动轨迹操作手柄，通过采集主机器人各个模块位姿信号，分别控制对应从机器人模块，就可以控制从机器人根据这个轨迹运动，控制形象直观。

图4-3同构型主从机器人构型映射
4.3镜像同构型主从控制方略
镜像同构主从机器人中，主机器人采用操作臂构型B-···-H，只有一端有手柄，另一端是基座，用于固定整个机器人。对于控制5一DoFS攀爬机器人Climbot主从控制系统构型如4-4所示。也是采用采用位姿一位姿型控制方略。由于主从机器人主体构型同样，因此还是采用对应关节一一映射控制方式。不过与同构型由有所不一样，由于它需要通过操作主机器人一种手柄来控制从机器人两个末端执行器。
以图4-4构型为例，此时从机器人运动学模型为，此时模型与主机器人一致，主机器人运动学模型为，设定主从之间映射关系为

即主机器人基座B对应于从机器人末端执行器Gl，手柄H对应于G:，以此类推，对应关节互相对应。镜像同构控制过程详细细分为两个环节:
环节一：当从机器人末端夹持器Gl夹紧时，要移动G:抵达目夹持点，由于主从机器人对应模块转动范围同样，长度比例恒定，可以通过主机器人各个关节位移量直接控制从机器人各个关节运动，不需做任何变换。
环节二：当从机器人G2夹紧，换成要移动Gl抵达目夹持点时，由于各个模块串联成一种整体，Gl和G2之间运动是相对，主机器人两个末端基座B和手柄H运动也是相对，H运动相称于固定H后，B沿反方向运动。这样，操作者在控制过程中，只要假如想让从机器人末端执行器Gl向左移动，则需控制手柄向右移动，假如想控制Gl向上移动，则是控制手柄向下移动。不过各个时刻主从机器人位姿还是保持一致。控制过程中还是用主机器人各个关节位移量直接控制从机器人各个关节运动，不需任何变换。只是此时主机器人运动端是B，但从机器人运动端却是Gl。
由此反复，操作者只需操控主机器人手柄，就可以控制从机器人两个夹持器交推进作，进行攀爬作业。Gl和G2之间互换通过按钮3控制，当按钮3断开时为Gl工子模式，连通为G2工作模式。
这就是镜像同构概念，环节一中，主从机器人完全同构，从机器人运动过程中位姿变化与主机器人完全同样，但在环节二主从运动位姿变化则是镜像对称。但整个过程各个时刻，主从机器人位姿都是保持一致。这种控制方式相对于异构型控制方式，不仅控制简朴直观，并且误差小。由于它是通过关节一关节一一映射方式控制，不是通过运动学正逆解和工作空间比例映射来控制，因此单关节误差不会累积放大，误差小。

图4-4镜像同构型主从机器人构型映射

第五章 机器人构型
采用5自由度操作臂构型进行试验，模块链为B一I1一T1一T2一I2一T3一H，构型如图5-1所示。

图5-1 5一DoFS操作臂
我们规定解从基座坐标系到末端执行器坐标系坐标变换矩阵T60，这个矩阵表达机
器人末端执行器在基系中体现出位置和姿态矩阵。ClimbotD一H参数表如表5-1所
不。
则可求得各杆变换矩阵:

给定各关节转动范围和各杆件长度(如表5一2)所示，可得该构型主机器人工作空间，如图5一2所示。其工作空间是由两个曲面包络区域。外曲面是一种桃形曲面，其上面部分是半径为424.7mm球面一部分;内曲面是一种半径为53.9mm球面。同样措施可以求得其他构型工作空间。

第六章 结论
针对现存主机器人构造复杂、随遇平衡不理想、通用性不强、控制复杂不直观等局限性，本文用模块化措施研制主机器人。本文完整搭建了模块化主机器人系统，包括机械构造研制、控制器硬件开发和控制程序设计。该主机器人系统仅包括机构简朴两种单自由度关节模块和手柄模块。灵活组合连接这些模块可以构建多种构型主机器人，用以控制不一样从机器人系统;此外根据从机器人面对不一样环境和作业任务，可以通过变化模块之间排列次序和连接方式，甚至是增长模块，使主机器人愈加简便、迅速地控制从机器人作业。模块化措施克服了主机器人通用性不强、控制复杂和操作不直观缺陷。比较多种实现随遇平衡措施后，我们选择通过在关节处安装恒扭矩阻尼器措施实现主机器人完全随遇平衡，该措施构造简朴，控制以便，且适合模块化构造规定。控制系统采用基于CAN总线分布式控制方式，充足发挥了模块化优势。并通过攀爬主从式控制例子阐明了模块化主机器人系统优越性，根据操作需要可以通过变化构型可以使主从同构或异构，控制直观、简朴。应用主机器人系统，针对某一固定从机器人系统，可以构建多种主机器人构型与之对应，因此操作者有更大选择空间去挑选适合自己操作习惯又能优化控制系统性能构型。
不过由于机械构造和控制系统等方面局限性，该主机器人系统仍尚有很大改善空间。首先是是精度和迟延问题，本文分析了误差来源和迟延成因，后续改善工作将从这些重要原因入手。另一方面是上位机辅助控制系统还不够完善，包括图像反馈和虚拟仿真环境等。尚有就是微操作有点难度，操作者需要反复练习才能精确操作和控制，这点需要从构造操作性能优化和控制系统对动作判断与处理能力完善两方面进行改善。此外，后来工作重点之一将是针对不一样从机器人、不一样作业对象设计合适构型并且实际控制操作，使该平台广泛地服务于人类生活和研究。

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