1、- i -本科毕业论文（20 届）可重构模块化魔方机器人设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -可重构模块化魔方机器人设计目 录前言 .1第 1 章 绪论 .1第 1.1 节 课题中的基本概念 .1第 1.2 节 国内外的研究现状 .2第 1.3 节 与本设计有关的研究积累和已取得的成绩 .3第 2 章 系统方案 .5第 2.1 节 系统设计要求及原理 .5第 2.2 节 系统设计的总体方案 .6第 2.3 节 设计研究技术路线 .7第 3 章 多变魔方机器人硬件平台 .8第 3.1 节 模块单元设计 .8第 3.2 节 驱动机构设计 .9第 3.3 节 控制核心
2、 STM32F103ZET6.10第 3.4 节 机械结构设计方案 .11第 3.5 节 传感的的选择 .11第 3.6 节 通信系统 .12第 4 章 多变魔方机器人控制系统设计 .14第 4.1 节 控制系统分析 .14第 4.2 节 构建系统的总体框架 .16第 4.3 节 模块软件概述 .18第 4.4 节 系统控制软件设计 .18第 5 章 多变魔方机器人系统协调 .22第 5.1 节 模块机器人构型组合设计 .22第 5.2 节 机器人构形的确定 .22第 5.3 节 机器人构型识别 .24第 5.4 节 构形的自动重建 .25结论 .27参考文献 .28致谢 .29附录 .30附
3、录 1：实物照片说明 .30附录 2：部分源程序 .31第 1 页可重构模块化魔方机器人设计【摘要】：本设计介绍了一种新型的可重构模块化机器人(多变魔方机器人)，它同时拥有可重构、可组装和群体机器人的特点。多变魔方机器人的每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔方结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形。多变魔方机器人选用控制功能强大的 32 位 ARM 芯片和应用 I2C 总线通信构建了模块化分布式控制系统，有效地实现了机器人的运动控制。本文详细描述了多变魔方机器人模块的硬件结构，软件体系以及系统的工作原理。【关键词】：模块化机器人；可重构；嵌入式；分布式控制系统；Abstract :
4、 This design introduced the development trend of the robot and the principle of a new type of reconfigurable modular robot is studied. Design based on the research of changeable rubiks cube robot module in digital electronic magic feet, for example, using 32-bit ARM MCU to realize control of the dig
5、ital magic feet, make the realization of each module can be autonomous mobile and self-assembled into a rubiks cube structure with other module, can also be configured to a variety of different forms, realize the deformation, and other functions.Based on ARM microcontroller is easy to control the sy
6、stem reliable work precision higher a series of unique advantages.Key words: modular robot; reconfigurable; embedded; distributed control system; I2C第 1 页前言随着机器人应用在广度和深度上的发展，人们希望在简化机器人设计、减少结构部件和降低机器人成本的同时，增强机器人系统性能，增加机器人功能和结构的多样性，所以在机器人学研究领域出现了可重构机器(Reconfigurable Robot)的研究。可重构机器人是由功能简单而具有一定感知能力的模块机
7、器人有机联接而成。通常由一套具有多种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，可以被装配成不同构形的机器人，以适应不同工作环境和任务的要求。这种组合并非简单的机械重组，还包括控制系统(电子硬件、控制算法、软件等)的重组，因为模块本身就是一种集传动、驱动、控制、通讯为一体的单元。模块化机器人系统的突出优点是:重构性好、装配方便、灵活性好、功能多样、适应性强和便于维护。可重构模块化机器人的研究的攀础和核心是将机器人分解为标准化、模块化的组件，研究这些模块化组件如何有机的结合，从而达到机械系统的快速拆装、功能模块间的有效通讯、整体机器人系统的协同控制。本文将以电子数字魔尺为例将在可重构模块结构设计和控制方式
8、上进行有益的探索和研究 1。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页第 1 章 绪论第 1.1 节 课题中的基本概念1.1.1. 可重构机器人与多变魔方机器人随着机器人应用在广度和深度上的发展,人们希望在简化机器人设计、减少结构部件和降低机器人成本的同时，增强机器人功能和结构的多样性，所以在机器人学研究领域出现了可重构机器人（Reconfigurable Robot）的研究 1。多变魔方机器人就是一种新型的可重构模块化机器人，它同时拥有自重构、自组装和群体机器人的特点。多变魔方机器人的每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔方结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形 2。可重构机器人由功
9、能简单而具有一定感知能力的模块机器人有机连接而成。多变魔方机器人与可重构模块化机器人系统类似，由功能简单而具有一定感知能力的机器人模块有机连接而成。这些模块能快速装配出适用于完成给定任务的机器人，因此多变魔方机器人的模块应具有以下特点 3：用户应能很方便地拆散和装配各种模块组成不同的机器人构形满足特定的工作要求。构造的机器人构形使用的模块数和模块类型应尽可能地少。用户对控制软件的修改也不应做复杂的操作。装配的模块化机器人应能立即工作，完成实际任务。这些模块通常由机械机构、驱动电路和通信接口组成，能够快速拆装、互换装配、互相通讯、协调控制。1.1.2. 魔方与魔尺魔方(Rubiks Cube)是
10、匈牙利建筑学教授和雕塑家鲁比克艾尔内（Rubik Ern）于 1974 年发明的机械益智玩具。三阶魔方的总变化数是： 19128 03.40,85649,2703,543 ！魔尺（Rubiks Snake）是魔方的衍生物，也称蛇形魔方，它由二十四个相连的直角三角形柱体所组成的一种玩具。每一个三角块可以随意地左右扭动，变成各种不同的东西（例如：狗、蛇、乌龟） ，也可以把 2 条或以上的魔尺在扭成合适的形状后再加以合并成为更复杂的东西。魔尺的形态(只计所有三角块均以 90 度角扭动来计算)有：423=70368744177664710 13魔方与魔尺的示意图见图 1-1 和图 1-2苏州大学本科生
11、毕业设计（论文）第 2 页图 1-1 魔方图 1-2 魔尺另一种蛇形魔方由 27 个相同尺寸的两两相互连接的立方体模块串联连接组成，称为蛇形正方体。通过不同的旋转变化变换成三阶的立方体，见图 1-1-3。图 1-3 蛇形魔方构形图(完全展开和完全收拢状态)我们把利用电子数字技术设计的机电一体化魔尺称为电子数字魔尺。通过安装在每个魔尺模块中的电子数字传感器来监视电子数字魔尺的形态，也可以通过电子数字驱动电路来改变电子数字魔尺的形态。第 1.2 节 国内外的研究现状国外对可重构模块化机器人研究起步较早,主要成果有：美国卡梅隆大学 RMMS 可重构模块化机器人，日本东芝公司研制的 TOMMS 可重构
12、机器人系统，加拿大 ESI 公司生产的模块化机器人系统,德国 AMTEC 公司的 Power Cube 模块产品等。东芝公司 TOMMS 的设计概念见图 1-2-1。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页图 1-2-1 TOMMS 的设计概念国内有许多研究所和高校对可重构模块化机器人进行研究,如中国科学院沈阳自动化研究所、东南大学、上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等，也取得了许多成果，见参考文献5-15。第 1.3 节 与本设计有关的研究积累和已取得的成绩1.3.1. 模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式可重构模块化机器人是机器人学的一个新的发展方向,其研究的核心和基础问题是可重
13、构机器人的模块设计以及模块组合的运动规划。北京航空航天大学机器人研究所提出的基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式 4为项目的研究提供了重要参考信息。北京航空航天大学机器人研究所提出的基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式为项目的研究提供了重要参考信息。1.3.2. 模块机器人的结构对模块机器人的结构进行了研究。可以归纳出 6 种模块，其中包括 3 种关节模块,2种连杆模块和 1 种基座模块，同时还对 3 个自由度模块机器人的结构进行了设计。可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成，这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成
14、不同构型的机器人。参考文献5对可重构模块化机器人的基本模块、构型数学表达方法、构型优化方法与运动学作了相应研究。1.3.3. 模块化机器人通用接口模块化机器人通用接口的研究和设计是基础重要基础。基于现场总线的通信接口是模块化机器人常见选择，例如基于 CAN 总线的控制系统结构能够适应机器人模块的连接机构，进行状态监视和控制，并能灵活扩展,见参考文献6。1.3.4. 多变魔方机器人的人机交互苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页基于本人的现有水平，借助现有软件资源可提高开发效率。利用 ARM 软件技术能对多变魔方机器人进行有效而灵活的控制，并能提供良好的人机交互界面，能充分体现上位机的图形、控
15、制和数据管理能力的优势,以及对机器人的适应性和控制驱动能力，见参考文献2。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页第 2 章 系统方案第 2.1 节 系统设计要求及原理2.1.1. 系统的设计要求(1)、 研究目标 通过设计制作一种机电一体化电子数字魔尺，展示多变魔方机器人的应用价 值。 通过在校园内展示电子数字魔尺的百变造型，激发大家对电子技术、机械工程、通信技术、计算机技术的学习兴趣和创新意识。 结合研究内容，设计一个用于电子信息、机械工程、测控和计算机专业的综合设计实验案例，用于实践教学。 锻炼实践能力和理论分析能力，从而培养科研能力。(2)、 设计内容 寻求一种可重构的机器人模块机械机
16、构，该模块能方便地拆散和装配，形成不同构型的机器人形状。 可重构的机器人模块配由合适的传感器、执行器、控制器、通信接口和其他显示装置组成，通过通信线路进行采集、驱动模块状态，随时感知和改变机器人形状。 建立相应的数学模型，在上位机上通过人机界面，实现对机器人的形态的监视和控制。 融合数字化传感技术、计算机技术、机电技术，最终完成一个形象的、实用的电子数字魔尺的制作。2.1.2. 设计的创新特色本项目的创新特点体现在趣味性、展示性、拓展性、综合性.(1)趣味性魔尺作为魔方智力玩具的衍生物，象征着智慧、时尚、休闲、隐喻，魅力无穷，特别能吸引各种人群。它与机械、电子、通信、电脑的结合，将会激发更大的
17、魔力。(2)展示性魔尺作为百变魔方的一种，其造型丰富，能形成众多形态，再配上表面的灯光显示，具有很强的展示功能。如将其作为一种新颖的室外大型电子“数字魔型” ，布置在校园内或公共场所，在不同的时间、场合展示不同的造型，可以用来隐喻钻石、永恒、爱心、企盼、晴天、大风等，见图 2-1。 “数字魔型”在展示学校形象、文明精神、重大事件以及天气预报等方面，有着巨大潜力。(3)拓展性电子数字魔尺作为可重构机器人，其模块不仅在机械结构上可以快速配置，形成不苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页同构型的机器人，而且在电子线路上也能快速拓展，其通信接口和协议、分布式控制技术拓展性，对其他系统也有借鉴作用。(
18、4)综合性电子数字魔尺融合了数字化传感技术、控制技术、计算机技术、机电技术等多种技术。结合研究内容，设计一个综合应用实验案例，用于实践教学，对锻炼学生的实践能力和理论分析能力，培养学生的科研能力，有着重要意义。图 2-1 魔尺的隐喻造型第 2.2 节 系统设计的总体方案电子数字魔方的模块由数字传感器、驱动器、控制器、通信接口和显示装置等组成，两种不同关节的模块示意图如图 2-2 所示。驱动器控制电路通信接口通信接口控制电路驱动器传感器传感器显示装置显示装置图 2-2 电子数字魔尺的模块电子数字魔方由若干个不同关节的模块拼装而成，示意图见图 2-3。图 2-3 拼接后的电子数字魔尺该电子数字魔方可以实现感知、通信、驱动、传动和信息处理的融合，根据多智能体机器人系统的相应协调控制策略完成多种形态的变化和快速组装。
