Rezumat și aspecte viitoare ale roboților modulari

În acest capitol, am prezentat principiul de proiectare, fundamentele teoretice și, de asemenea, implementarea roboților reconfigurabili modulari pentru aplicații industriale. În ceea ce privește proiectarea modulului, am subliniat că proiectarea robotului ar urma principiul de clasificare al arhitecturii modulare a produselor, care este întâlnit în mod obișnuit în proiectarea produselor de inginerie. Pe teoria roboților modulari, am prezentat o metodă generică de automatizare a generării de modele pentru roboți reconfigurabili modulari bazată pe o reprezentare grafică a geometriei robotului, numită matrice de incidență a ansamblării (AIM) și algoritmi de construire a modelului independent de geometrie pentru modele cinematice, dinamice și de eroare ale unui robot. AIM-ele configurației de asamblare a roboților modulari facilitează determinarea configurației optime a robotului pentru o sarcină specifică folosind tehnici de optimizare combinatorie. De asemenea, am prezentat aici o abordare pentru a rezolva problema optimă a sarcinii folosind algoritmi evolutivi cu operatori genetici personalizați bazați pe AIM-a robotului. Cu privire la practicarea și implementarea roboților modulari pentru aplicații industriale, am dezvoltat o aplicație software modulară de control și simulare a roboților modulari, SEMORS (Simulation Environment for MOdular Robot Systems). În acest software, doar un set mic de baze de date de componente și funcții nucleu sunt păstrate în controllerul robotului, iar modelele de robot necesare pot fi generate automat. Din prototipul de robot modular demonstrativ, confirmăm avantajul utilizării componentelor modulare în construirea celulei de lucru robotice complexe cu diferite configurații. Modelele plug-and-play de cinematică, dinamică și de calibrare a robotului, sunt, de asemenea, verificate prin implementarea efectivă în controllerul robotului și în software-ul de simulare.
In this chapter, we have presented the design principle, theoretical foundations, and also the implementation of modular reconfigurable robots for industrial applications. On the module design, we pointed out that the robot design would follow the classification principle of modular product architecture that is commonly seen in engineering product design. On the modular robot theory, we have presented a generic method to automate the model generation for modular reconfigurable robots based on a graph representation of robot geometry, called an assembly incidence matrix, and geometry-independent model building algorithms for the kinematics, dynamics, and error models of a robot. The AIMs of the assembly configuration of modular robots facilitate the determination of optimal robot configuration for a specific task using combinatorial optimization techniques. We also presented here an approach to solve the task-optimal problem using evolutionary algorithms with customized genetic operators based on the AIM of the robot. On the practice and implementation of modular robots for industrial applications, we have developed a modular robot control and simulation software application, SEMORS (Simulation Environment for MOdular Robot Systems). In this software, only a small set of component database and kernel functions are kept in the robot controller, and the required robot models can be generated automatically. From the demonstration modular robot prototype, we confirm the advantage of using modular components in constructing the complex robotic workcell with different configurations. The plug-and-play kinematics, dynamics, and calibration robot models are also verified through the actual implementation in the robot controller and the simulation software.

Perspectivă de viitor

Datorită îmbunătățirii nivelului de trai în țările în curs de dezvoltare și îmbătrânirii populației în țările bine dezvoltate, deficitul de forță de muncă în fiecare aspect al industriei (prelucrătoare și non-producție) este omniprezentă. Este imperativă implementarea tehnologiei robotice adaptabile pentru îmbunătățirea productivității și automatizare. De peste 20 de ani de cercetare și dezvoltare în robotica modulară, o serie de sisteme robotice modulare au intrat cu succes pe piețele de automatizare a industriei, educație și divertisment. Robotica Schunk reprezintă un exemplu foarte bun de sistem de robot modular foarte integrat. Robotul umanoid Dynamixel and DARwIn-Op de la Robotis (Coreea) reprezintă un nou design de modul de acţionare a robotului pentru robotul umanoid înalt integrat, precum și o componentă robotică cheie pentru dezvoltarea diverselor aplicații robotice. Kitul de dezvoltare robot Lego Mindstorms reprezintă integrarea roboților modulari și a designului de produse modulare pentru aplicații de educație creativă. SmartMotor este un exemplu de succes de realizare a unui modul de acţionare a robotului ca un modul de motor inteligent autonom pentru aplicaţii industriale largi, fără structuri mecanice integrate. Aceste sisteme robotice modulare de succes indică faptul că designul modular oferă avantaje clare în domenii de varietate de produse, varietate de aplicații și creativitate.

Due to the improvement of living standard in developing countries and ageing population in well-developed countries, manpower shortage in every aspect of the industry (manufacturing and non-manufacturing) is pervasive. Deploying adaptable robotic technology for productivity improvement and automation is imperative. For more than 20 years of R&D in modular robotics, a number of modular robotic systems have successfully entered the industry automation, education and entertainment markets. Schunk robotics represents a very good example of a highly integrated modular robot system. Dynamixel and DARwIn-Op Humanoid Robot from Robotis (Korea) represent novel robot actuator module design for highly integrated humanoid robot as well as a key robotic component for diverse robotic application development. Lego Mindstorms Robot Development Kit represents the integration of modular robots and modular product design for creative education applications. SmartMotor is a successful example of making robot actuator module as a stand-alone intelligent motor module for wide industrial applications without integrated mechanical structures. These successful modular robotic systems indicate that modular design offers clear advantage in the areas of product variety, application variety, and creativity.

Însă, costul dezvoltării și fabricării unor astfel de sisteme, indiferent de la nivel de modul sau la nivel de sistem, poate fi încă o preocupare principală din partea furnizorilor de sistem până la utilizatorii finali. Structura de cost a unui robot modular este foarte asociată cu designul modulelor individuale și cu posibilele tipuri de sisteme de robot modulare care trebuie concepute. Din istoria dezvoltării cărămizilor LEGO și a modulelor Schunk PowerCube, se arată în mod clar că designul modulului evoluează de la a poseda funcții complexe la simple (cost redus) și creșterea varietăților de module (mărește baza de utilizatori). Evoluția designului modulului are ca rezultat extinderea pieței și adoptarea pe scară largă. Prin urmare, pentru manipulatoarele modulare reconfigurabile și sistemele mobile, modul de a face ca designul modulului și sistemului să îndeplinească așteptările utilizatorilor finali este cea mai mare provocare de R&D în viitor.
However, the cost of developing and manufacturing such systems, no matter at the module level or at the system level, can still be a main concern from the system providers to the end users. The cost structure of a modular robot is highly associated with the design of the individual modules and the possible types of modular robot systems to be conceived. From the development history of LEGO bricks and Schunk PowerCube modules, it is clearly shown that the module design evolves from possessing complex to simple functions (cost down) and increasing module varieties (enlarging user base). The module design evolution results in market expansion and wide adoption. Hence, for reconfigurable modular manipulator and mobile systems, how to make the module and system design meet the expectation of the end users is the most challenging R&D topic in the near future.

Referințe

Ambrose RO (1995) Interactive robot joint design, analysis and prototyping. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics and automation, Washington, DC, pp 2119–2124

Barrett Technology (2013) http://www.barrett.com/robot/index.htm

Benhabib B, Zak G, Lipton MG (1989) A generalized kinematic modeling method for modular robots. J Robot Syst 60(5):545–571

Chen I-M (1994) Theory and applications of modular reconfigurable robotic systems. PhD thesis, California Institute of Technology, Division of Engineering and Applied Science

Chen I-M (1996) On optimal configuration of modular reconfigurable robots. In: Proceedings of the international conference on control, automation, robotics, and vision, Singapore, pp 1855–1859

Chen I-M (2000) Realization of a rapidly reconfigurable robotic workcell. J Jpn Soc Precis Eng 66(7):1024–1030

Chen I-M (2001) Rapid response manufacturing through reconfigurable robotic workcells. J Robot Comput Integr Manuf 17(3):199–213

Chen I-M, Burdick JW (1995) Determining task optimal modular robot assembly configurations. In: Proceedings of the IEEE international conferene on robotics and automation, Nagoya, pp 132–137

Chen I-M, Burdick JW (1998) Enumerating non-isomorphic assembly configurations of a modular robotic system. Int J Robot Res 17(7):702–719

Chen I-M, Yang G (1996) Configuration independent kinematics for modular robots. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics and automation, Minneapolis, pp 1845–1849

Chen I-M, Yang G (1997) Kinematic calibration of modular reconfigurable robots using product of-exponentials formula. J Robot Syst 14(11):807–821

Chen I-M, Yang G, Kang IG (1999a) Numerical inverse kinematics for modular reconfigurable robots. J Robot Syst 16(4):213–225

Chen I-M, Yeo SH, Chen G, Yang G (1999b) Kernel for modular robot applications – automatic modeling techniques. Int J Robot Res 18(2):225–242

Chen I-M, Yang G, Tan CT, Yeo SH (2001) A local POE model for robot kinematic calibration. Mech Mach Theory 36(11):1215–1239

Cohen R, Lipton M, Dai M, Benhabib B (1992) Conceptual design of a modular robot. ASME J Mech Des 25:114–117

Cormen T, Leiserson C, Rivest R (1990) Introduction to algorithms. MIT Press, Cambridge, MA. ISBN 0262032937

Deo N (1974) Graph theory with applications to engineering and computer science. Prentice-Hall, New York. ISBN 0133634736

Dobrjanskyj L, Freudenstein F (1967) Some applications of graph theory to the structural analysis of mechanisms. ASME J Eng Ind 89:153–158

Featherstone R (1987) Robot dynamics algorithms. Kluwer, Holland. ISBN 0898382300

Fukuda T, Nakagawa S (1988) Dynamically reconfigurable robot system. In: Proceedings of the IEEE international conferene on robotics automation, Philadelphia, pp 1581–1586

Hollerbach JM (1980) A recursive lagrangian formulation of manipulator dynamics and a comparative study of dynamics formulation complexity. IEEE Trans Syst Man Cybern 10:730–736

Kelmar L, Khosla P (1988) Automatic generation of kinematics for a reconfigurable modular manipulator system. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics and automation, Philadelphia, pp 663–668

Khosla PK, Neuman C, Prinz F (1985) An algorithm for seam tracking applications. Int J Robot Res 40(1):27–41

Kinova Robotics-The JACO robot arm (2013) http://kinovarobotics.com/products/jaco-researchedition/

Kutzer MDM, Moses MS, Brown CY, Scheidt DH, Chirikjian GS, Armand M (2010) Design of a new independently-mobile reconfigurable modular robot. In: IEEE international conference on robotics and automation, pp 2758–2764

Li B, Ma S, Liu J, Wang M, Liu T, Wang Y (2009) AMOEBA-I: a shape-shifting modular robot for urban search and rescue. J Adv Robot 23(9):1057–1083

Matsumaru T (1995) Design and control of the modular robot system: TOMMS. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics automation. Nagoya, pp 2125–2131

Michalewicz Z (1994) Genetic algorithms + data structures ¼ evolution programs, 2nd edn. Springer, Berlin. ISBN 540580905

Modular Robot – iMobot – Barobo (2013) http://www.barobo.com/

Moubarak P, Ben-Tzvi P (2012) Modular and reconfigurable mobile robotics. Robot Auton Syst 60:1648–1663

Murray R, Li Z, Sastry S (1994) A mathematical introduction to robotic manipulation. CRC Press, Boca Raton. ISBN 0849379814

Paredis CJJ, Khosla PK (1995) Design of modular fault tolerant manipulators. In: Goldberg K (ed) Algorithmic foundations of robotics. A. K. Peters, Wellesley, pp 371–383. ISBN 1568810458

Paredis C, Brown HB, Khosla P (1996) A rapidly deployable manipulator system. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics automation, pp 1434–1439

Paredis CJJ, Brown HB, Khosla P (1997) A rapidly deployable manipulator system. Robot Auton Syst 21(3):289–304

Park FC, Bobrow JE (1994) A recursive algorithm for robot dynamics using lie groups. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics and automation, San Diego, pp 1535–1540

Park FC, Bobrow JE, Ploen SR (1995) A lie group formulation of robot dynamics. Int J Robot Res 14(6):609–618

Robotnik (2013) http://robotnik.es/es/

Rodriguze G, Jain A, Kreutz-Delgado K (1991) A spatial operator algebra for manipulator modeling and control. Int J Robot Res 10(4):371–381

Schunk Modular Robotics (2013) www.schunk-modular-robotics.com

Tesar D, Butler MS (1989) A generalized modular architecture for robot structures. ASME J Manuf Rev 2(2):91–117

Ulrich K (1995) The role of product architecture on the manufacturing firm. Res Policy 24:419–440

Universal Robots (2013) http://www.universal-robots.com/

Wang W, Yu W, Zhang H (2010) JL-2: a mobile multi-robot system with docking and manipulating capabilities. Int J Adv Robot Syst 7(1):9–18

Wurst KH (1986) The conception and construction of a modular robot system. In: Proceedings of the 16th International Symposium on Industrial Robotics (ISIR), pp 37–44

Yang G, Chen I-M (2000) Task-based optimization of modular robot configurations – MDOF approach. Mech Mach Theory 35(4):517–540

Yang G, Chen I.-M, Lim WK, Yeo SH (1999) Design and kinematic analysis of modular reconfigurable parallel robots. In: Proceedings of the IEEE international conference on robotics and automation, Detroit, pp 2501–2506

Yang G, Chen I-M, Lim WK, Yeo SH (2001) Kinematic design of modular reconfigurable in-parallel robots. Auton Robot 10(1):83–89