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银奖· 2021 · 第七届
可重构机器人模块及系统
项目简介 / OVERVIEW
模块化是一种重要的先进的设计方法，已成为现代机电系统发展的趋势和方向。可重构模块化机器人由多个模块组成，可根据不同的任务需要或工作环境改变自身构型和自由度，具有良好的任务通用性、环境适应性、可重构性和成本低等优点，能够满足3C制造、轻工生产和大众消费等领域的应用需求。模块化机器人研究起步较晚，在设计方法论、系统构建、理论体系和应用等方面的研究亟待加强和深化。
本项目在国家863计划、自然科学基金、基金委-广东省联合基金、广东省自然科学基金、广东省前沿与关键技术创新专项、粤港合作创新专项等项目支持下，产学研联合攻关，研发了工业级和个人消费级多种类多型号的机器人模块，并由此构建了数十种模块化机器人系统，已掌握核心技术，形成了系列化具有完成自主知识产权的核心产品，性能达到国际先进，可重构特性更是独树一帜。
本项目的创造性与先进性主要包括：(1)提出一套系统的可重构模块化机器人设计思想与方法，指导高效经济地构建构型不同、自由度可增减的多种多样的机器人系统；(2)研发了系列化的独立完整的具有快速重构特性的机器人关节模块和功能模块；(3)实现了系统构建的灵活性、丰富性和多样性，发明了多种新型机器人，包括轻量级操作臂、双手爪爬杆机器人、双足爬壁机器人、双足步行机器人、可变构型双轮移动机器人、高压线巡检机器人、高压线上多作业执行器快换机器人、轮子数量和布局可变的消费级移动机器人，以及其它多种仿生机器人；(4)创建了双手爪/足攀爬机器人自主攀爬的三层递阶结构的理论体系，提出了各层面的实现方法和相应算法；(5)创造性地提出了一种双轮足混合移动机器人，既可用作双足主动步行机器人又可用作可变构型双轮移动机器人，并能实现两种移动方式的自主过渡和切换。成果得到了国内外广泛认可，发表了大量高水平SCI/EI论文（其中十篇荣获国际会议最佳论文奖或入围奖），形成了专利群。2020年元月由广东省机械工程学会组织的鉴定会认为本项目的总体技术处于国际先进水平。
成果正在由佛山博文和大族机器人进行产业化。可重构模块化系统已向广东能源技术公司、国家电网山东电科院等企业和科研院所提供了十余套；个人消费级Mini模块化机器人首期生产了两千个模块，正在规模化销售中并计划推向海外；Elfin系列六轴协作型模块化机器人已成功打入包括苹果和三星等世界500强企业，出口到欧美日韩等50多个国家和地区，累计新增产值１亿多元。
设计阐述 / DESIGN FEATURES
模块化设计是一种重要的先进的现代系统设计方法，已成为机电系统发展的一个重要的趋势和方向。相比传统的设计方法，模块化方法具有众多优势，包括简化设计和制造、缩短研发周期、降低使用和维护成本、增强系统构建的灵活性。模块化已成为当前新型机器人系统研发的一个重要的发展趋势和热点。将机器人关节模块化，设计相对独立且具有统一或标准化的机械接口、电气接口以及软件接口的机电基本单元，根据不同的任务需要或不同的环境特征，快速构建不同构型或不同自由度的机器人，此即可重构模块化机器人。这类机器人通过对自身构型和自由度的变换，能够进行功能重组，具有良好的任务通用性、环境适应性、可重构性、 容错性、以及成本低、装拆维护方便等优点，十分契合非传统的新兴领域的应用需求。
可重构模块化机器人有两个层面或等级；一是关节层面，模块化在关节层实现，即每个关节或功能执行器是独立完整的机电单元，也即模块，一台机器人由若干关节模块和末端功能模块构成；二是系统层面，即每个“模块”本身就是一台机器人，多台相同的机器人可以扩展成广义的模块化机器人系统。模块化机器人的研究起步较晚，在设计方法论、系统构建、理论体系和应用等方面的研究亟待加强和深化。本项目旨在针对目前国内外在模块化机器人研究和开发上的不足，在关节层面上进行了可重构模块化智能机器人系统的研究和开发，取得了一系列成果，进行了示范性应用研究，并正在进行产业化和规模化推广应用。
本项目在国家和广东省的项目资金支持下，产学研联合攻关，研发了工业级和消费级两个级别的机器人模块，以及构建了数十种模块化机器人，已经掌握可重构模块化机器人的核心技术，并形成了拳头产品，对促进我国机器人的自主创新具有重大意义。本项目采用的设计方法及其创造性和先进性主要体现在以下几个方面：
1对模块化的概念、范畴和分类进行了深入系统的研究，提出了一种机器人系统模块化设计思想与方法。在关节层面上，将机器人分解为关节模块和末端功能模块等基本单元，每个单元定于为一个具有一定功能的机电系统，具有独立性和完整性。模块两端应具有统一或标准的机械和电气接口，两端的接口必须是相同的和中性的，可首尾互置，这是实现可重构的关键所在。根据任务需要和环境情况，将关节模块依次直接连接成主体，再在末端连接功能模块。采用这种模块化方法能高效经济地构建构型不同、自由度可增减的多种多样的机器人系统。
2研发了多个种类和多个型号的可重构机器人关节模块和功能模块，极大丰富了机器人模块谱系。关节模块包括单自由度摆转关节模块、单自由度回转关节模块、双自由度转动关节模块、双自由度圆柱关节模块、驱控测一体化变刚度关节模块、绳驱动肘关节模块、基于并联机构的绳驱动三自由度关节模块等；功能模块包括夹持器模块、负压吸附模块、永磁吸附模块、快换末端执行模块和轮足模块等。除了单自由度回转关节模块国内外有类似的产品外，其它模块都是原创性和新增的。各关节模块内高度集成驱动、控制以及内部传感器等，各模块两端具有相同的中性的统一的机械与电气接口，并实现了内部走线，形成独立完整的具有快速重构特性的机电单元。关节模块本身的性能可与国内外相近的模块相比，尤其是模块之间可以通过统一的机电接口直接快速相连，两个工业级模块之间的连接可在30秒内完成，两个消费级Mini小模块之间连接可在3秒之内完成，因此模块本身具有新颖性和创造性。与其它模块化机器人相比，本项目的模块之间可以不借助专用连杆而直接快速固连，完全实现了模块化机器人的可重构性（构型可变、自由度可增减）。
3基于模块化方法发明了多种新型机器人。充分利用丰富多样的关节模块与功能模块，根据不同的作业和环境构建了多种新型机器人—1)模块化操作臂：用五六个回转关节和摆转关节模块，末端连接一个夹持器模块即构建成一台轻型操作臂；２)模块化SCARA机器人：用一个回转关节和一个摆转关节模块，末端连接一个双自由度圆柱关节模块即构建成一台SCARA机器人，臂展长度可通过辅助连杆调节，可立式正装、侧面安装、倒立吊装以适应不同的车间环境；3)双手爪爬杆机器人：双端对称、首尾互置的仿尺蠖爬杆机器人，具有多种攀爬步态(尺蠖步态、扭转步态和翻转步态)，具有优越的越障和杆间过渡功能，不仅具有攀爬功能而且兼具操作功能；4)双足爪爬壁机器人：双端对称、首尾互置的仿尺蠖爬壁机器人，具有多种攀爬步态，具有壁面越障和壁间过渡功能，具有全方位爬壁功能，还兼具平面物体拾放等操作功能；5)少自由度双足步行机器人：以六个自由度即实现了双足主动步行，具有横行、扭转、扭转等步态，结构简单、控制容易、环境适应强；6)双轮移动机器人：将六自由度双足步行机器人放倒，末端用轮足模块，中间加个惰轮即成为一台双轮移动机器人(回转关节模块用作轮子驱动器)，轮距可变、轮向可调、车体形状可变，具有很强的地面环境适应性；7)双轮夹巡线机器人：在前面的攀爬机器人本体上，双端换用轮夹模块，即构成了高压输电线巡检机器人，具有线上快速移动、跨越障碍、线间过渡，以及多方位多视点视觉检测功能；8)高压线上多种作业机器人：模块化轻型操作臂适合于高空作业，本项目发明了特种末端夹持器、末端清洁刷、末端电动扳手三种可快换的模块，与模块化操作臂快速连接和切换，实现了防松开口销的插拔、螺母松紧和导流板清洁等高压输电线上多种作业；9)轮子数量和布局可变的移动机器人：Mini回转关节模块也可用作轮子驱动器，均匀安装于甲板上可构建两轮、三轮和四轮移动机器人平台，采用麦克纳姆轮可实现全方位移动。这样采用模块化思想和设计方法，用有限的几个模块能构建出不同构型和不同自由度的多种多样的机器人系统，实现了系统构建的灵活性、丰富性和多样性，极大地降低了设计开发、制造和使用维护成本，节省了大量人力、物力和财力。
4创建了双手爪/双足攀爬机器人自主攀爬的三层递阶结构的理论体系，并提出了攀爬环境检测与三维重构、全局攀爬路径与夹持点／吸附点规划，以及单步攀爬无碰最优运动规划与杆件自主抓夹／壁面自主吸附等各层面的实现方法和相应算法。
5创造性地提出了一种双轮足混合移动机器人，并提出和实现了双足步行和双轮滚动两种移动方式之间的自主过渡和切换的方法和算法。用六个或七个关节模块和两个轮足模块构建的机器人系统。立起来即是双足主动步行机器人，放倒(中间加装一个万向惰轮)则可成为构型可变(轮距、轮向和车体形状都可变)的双轮移动机器人。这种混合移动机器人既能发挥连续地面上轮式滚动的高速性能和高稳定性、变车体对狭窄空间的通过性，也能发挥在非平整和非连续的环境中的离散移动和越障功能，具有对复杂环境的特殊适应性。
研究成果得到了国内外的广泛认可，发表了39篇高水平SCI/EI论文（其中十篇荣获国际会议最佳论文奖或入围奖），授权专利83件，其中发明专利20件、实用新型专利41件、外观专利12件，形成了专利群，拥有软件著作权15件，并在多个国内竞赛中获奖。
材料索引与延伸阅读 / SOURCES & FURTHER READING
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