模块化机器人(附件)
目前，大多数的机器人一般都是根据特定的对象和具体的环境设计开发的，在复杂环境的适应能力是有限的。随着机器人的使用范围越来越广，传统的机器人无法适应这种需求的变化。模块化机器人具有体积小、使用灵活、适用性广、兴趣高、智能化高等优点，本设计便是其中一种新型的模块化机器人。主要采用arduino单片机，zigbee通信协议，无线传输，减速电机和其他电子元件构成。利用Pro / E三维设计软件和3 D打印技术完成模块化机器人的结构设计和实物制作，最后利用单元模块组合的多样性，类似于搭建积木，组装成各种环境下所需的机器人，如智能汽车、机械手臂、人形机器人等。关键词 ZigBee, arduino，模块化，3D打印，Pro/E
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究历程 2
1.3 研究的目的和意义 6
1.4 本设计完成的工作内容 6
2 模块化机器人总体方案设计 6
2.1 模块化机器人的总体分析 6
2.2 模块化机器人的结构设计 7
3 模块化机器人各硬件的选择 9
3.1 控制元件选择 9
3.2 电机选择 11
3.3 Zigbee通信 12
3.4 WiFi模块 15
3.5 驱动模块 16
4 模块化机器人的结构设计 16
4.1 壳体设计 16
4.2 衔接体的设计 17
4.3 转接件设计 19
4.4 模块化的细胞底盘轮子结构设计 19
4.5 单个模块的整体构型 20
4.6 模块化的车型机器人 20
5 模块化的控制系统设计 20
5.1 主控电路系统的设计 21
5.2 从机控制电路系统设计 21
5.3 电路图 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A 26
附录B 32
附录C 34
附录D 35 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1 绪论
时代在快速的发展，机器人技术领域也得到迅速的发展，随着目前发展的趋势来看，模块化机器人也将是未来机器人研究领域热门之一[1]。模块化机器人研究的同时需要结合控制工程、机械设计基础、计算机基础、C语言程序编写、过程装配、材料成型、电工电子工程和人工智能等多个领域的知识[2]。同时，这些研究成果也将推动这些领域的发展。
研究背景
传统机器人通常情况下都是根据具体的研究对象和特定的环境来设计研制的，具体应用方面也具有一定的局限性，通常情况下难以在较为复杂环境下的工作。然而随着机器人逐步在社会中得到广泛应用，也提高了对环境适应性的要求，一般传统的机器人也已经不能满足这种需求变化的趋势了[3]。而与此同时，虽然专用机器人已在现有的制造业及工业生产中不断得到充分体现，但是面对未来社会制造业的多变化和小批量的生产这一方向的需求来看，目前专用机器人的设计更新换代周期和制造成本都是急需解决的难题。
将模块化概念引入到现代机器人设计中，为生产制造加工系统注入新的活力[4]。选择适当的控制关系和模块机器人标准模块，迅速组成具体所需的模块化机器人便成了降低生产制造成本和缩短制作周期的有效途径，所以模块化机器人这类的生产设备在未来社会生产加工体系中会得到广泛应用。
模块化机器人是由能够实现运动性结构的基本模块而组成的，也就是我们一般看到的单个模块，经由模块间的断开和连接形成所需丰富多样的构型或形态，从而能够更好的达到适应环境特征与任务要求，如采用蛇形结构穿越狭窄的孔洞，适应性构型在火灾或天灾环境下采用环形构型实现特定运动等[5]。另外机器人模块中间自带运动关节，可以组成的结构具有超冗余自由度，从而也提高机器人应用的丰富性，而教育类机器人也基于模块化机器人的研究而得到不断的发展。
1.2 国内外研究历程
1.2.1 国外研究历程
第一台国外模块化机器人是1988年在美国的卡内基梅隆大学机器人研究所研制成功的可重构模块化机械手系统（RMMS）。之后他们对机器人软件算法、机械结构、通信系统等方面的改进，同年研究所的Fukuda提出了动力可重构机器人DRRS，其每个细胞能根据任务自动的与其他细胞组合、分离。
图1.1 可重构的模块化机械手系统RMMS样机及关节
1998年来自美国Dartumouth学院也展开研究，随后团队里的Kotay等提出了有机器人细胞分子组成壳子重构机器人，这种机器人能够自动的构成所需的形状，从而适应不同的恶劣环境；
图1.2 分子机器人
1999年日本Murate用形状记忆合金材料研制出了自重构系统；
1999年美国麻省理工大学专家发明了一种与高尔夫球差不多大小的机器人，该机器人可以组成一支蛇形机器人[6]。
1.2.2 国内研究历程
相较于上世纪国外便在模块化机器人方面便开始研究情况比起来，国内对模块化机器人的研究目前还处于初级阶段。目前国内这类机器人主要用于教育类，也叫做CellRobot。
2014年7月，教育类的模块化机器人—CellRobot成功入选美国顶级硬件孵化器HAX，成为当期唯一的中国项目。
2014年11月，硅谷发布了其第一代产品。
2016年1月，中国的CellRobot机器人团队北京可以科技有限公司前往拉斯维加斯参加美国国际消费类电子产品展览会（CES），该团队也获得了美国路透社、Engadget、BBC等多家全球媒体报道称赞。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究历程 2
1.3 研究的目的和意义 6
1.4 本设计完成的工作内容 6
2 模块化机器人总体方案设计 6
2.1 模块化机器人的总体分析 6
2.2 模块化机器人的结构设计 7
3 模块化机器人各硬件的选择 9
3.1 控制元件选择 9
3.2 电机选择 11
3.3 Zigbee通信 12
3.4 WiFi模块 15
3.5 驱动模块 16
4 模块化机器人的结构设计 16
4.1 壳体设计 16
4.2 衔接体的设计 17
4.3 转接件设计 19
4.4 模块化的细胞底盘轮子结构设计 19
4.5 单个模块的整体构型 20
4.6 模块化的车型机器人 20
5 模块化的控制系统设计 20
5.1 主控电路系统的设计 21
5.2 从机控制电路系统设计 21
5.3 电路图 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A 26
附录B 32
附录C 34
附录D 35 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1 绪论
时代在快速的发展，机器人技术领域也得到迅速的发展，随着目前发展的趋势来看，模块化机器人也将是未来机器人研究领域热门之一[1]。模块化机器人研究的同时需要结合控制工程、机械设计基础、计算机基础、C语言程序编写、过程装配、材料成型、电工电子工程和人工智能等多个领域的知识[2]。同时，这些研究成果也将推动这些领域的发展。
研究背景
传统机器人通常情况下都是根据具体的研究对象和特定的环境来设计研制的，具体应用方面也具有一定的局限性，通常情况下难以在较为复杂环境下的工作。然而随着机器人逐步在社会中得到广泛应用，也提高了对环境适应性的要求，一般传统的机器人也已经不能满足这种需求变化的趋势了[3]。而与此同时，虽然专用机器人已在现有的制造业及工业生产中不断得到充分体现，但是面对未来社会制造业的多变化和小批量的生产这一方向的需求来看，目前专用机器人的设计更新换代周期和制造成本都是急需解决的难题。
将模块化概念引入到现代机器人设计中，为生产制造加工系统注入新的活力[4]。选择适当的控制关系和模块机器人标准模块，迅速组成具体所需的模块化机器人便成了降低生产制造成本和缩短制作周期的有效途径，所以模块化机器人这类的生产设备在未来社会生产加工体系中会得到广泛应用。
模块化机器人是由能够实现运动性结构的基本模块而组成的，也就是我们一般看到的单个模块，经由模块间的断开和连接形成所需丰富多样的构型或形态，从而能够更好的达到适应环境特征与任务要求，如采用蛇形结构穿越狭窄的孔洞，适应性构型在火灾或天灾环境下采用环形构型实现特定运动等[5]。另外机器人模块中间自带运动关节，可以组成的结构具有超冗余自由度，从而也提高机器人应用的丰富性，而教育类机器人也基于模块化机器人的研究而得到不断的发展。
1.2 国内外研究历程
1.2.1 国外研究历程
第一台国外模块化机器人是1988年在美国的卡内基梅隆大学机器人研究所研制成功的可重构模块化机械手系统（RMMS）。之后他们对机器人软件算法、机械结构、通信系统等方面的改进，同年研究所的Fukuda提出了动力可重构机器人DRRS，其每个细胞能根据任务自动的与其他细胞组合、分离。
图1.1 可重构的模块化机械手系统RMMS样机及关节
1998年来自美国Dartumouth学院也展开研究，随后团队里的Kotay等提出了有机器人细胞分子组成壳子重构机器人，这种机器人能够自动的构成所需的形状，从而适应不同的恶劣环境；
图1.2 分子机器人
1999年日本Murate用形状记忆合金材料研制出了自重构系统；
1999年美国麻省理工大学专家发明了一种与高尔夫球差不多大小的机器人，该机器人可以组成一支蛇形机器人[6]。
1.2.2 国内研究历程
相较于上世纪国外便在模块化机器人方面便开始研究情况比起来，国内对模块化机器人的研究目前还处于初级阶段。目前国内这类机器人主要用于教育类，也叫做CellRobot。
2014年7月，教育类的模块化机器人—CellRobot成功入选美国顶级硬件孵化器HAX，成为当期唯一的中国项目。
2014年11月，硅谷发布了其第一代产品。
2016年1月，中国的CellRobot机器人团队北京可以科技有限公司前往拉斯维加斯参加美国国际消费类电子产品展览会（CES），该团队也获得了美国路透社、Engadget、BBC等多家全球媒体报道称赞。
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