Probleme de proiectare a modulelor

Un robot modular ar consta din cele două caracteristici principale găsite într-un produs modular: (1) o mapare unu-la-unu de la elementele funcționale la componentele fizice ale produsului și (2) interfețe decuplate între componentele diferitelor module (Ulrich 1995). Pentru manipulatoarele modulare, componentele esențiale sunt mecanismele de bază, regionale și de orientare compuse din module de acționare și module de legătură de diferite dimensiuni și geometrie și modulul de efector-final. Pentru sistemele robotice mobile cu picioare și roți, modulele mecanismului de generare a mișcării sunt esențiale.
A modular robot would consist of the two main features founded in a modular product: (1) a one-to-one mapping from functional elements to the physical components of the product and (2) decoupled interfaces between the components of different modules (Ulrich 1995). For modular manipulators, the essential components are the base, regional, and orienting mechanisms composed by actuator modules and link modules of different dimensions and geometry and the end-effector module. For legged and wheeled mobile robotic systems, the motion generation mechanism modules are essential.

Modulele de acţionare adoptă în mod normal motoare de curent continuu sau curent alternativ ca modul de articulare „rotire” sau „pivotare” 1-DOF cu mecanisme compacte de transmisie cu raport de reducere ridicat (Paredis et al. 1996; Cohen et al. 1992; Tesar şi Butler 1989; Matsumaru 1995; Chen 2001). Unele sisteme modulare adoptă, de asemenea, module liniare 1-DOF pentru anvelopă mare de mișcare (Cohen și colab. 1992; Chen 2001) și module de articulare 2-DOF pentru generarea de mișcare abilă compactă (Schunk Modular 2013). Modulele de acționare sunt proiectate cu geometrie similară, dar cu dimensiuni și puteri nominale diferite pentru cerințe diferite ale aplicațiilor.
The actuator modules normally adopts DC or AC motors as 1-DOF “rotate” or “pivot” joint module with compact high reduction ratio transmission mechanisms (Paredis et al. 1996; Cohen et al. 1992; Tesar and Butler 1989; Matsumaru 1995; Chen 2001). Some modular systems also adopt 1-DOF linear modules for large motion envelope (Cohen et al. 1992; Chen 2001) and 2-DOF joint modules for compact dexterous motion generation (Schunk Modular 2013). The actuator modules are designed with similar geometry but of different dimensions and power ratings for different application requirements.

Modulele de legătură care conectează unitățile dintre actuatoare funcționează ca extensii accesibile pentru spațiul de lucru. Unele sisteme adoptă un modul standard de conexiune cu dimensiuni fixe (Fukuda și Nakagawa 1988; Cohen și colab. 1992; Tesar și Butler 1989), iar unele sunt module cu dimensiuni variabile care pot fi fabricate în mod obișnuit datorită constrângerilor și cerințelor suplimentare de proiectare (Chen 2001). În unele sisteme (Paredis et al. 1996), modulul de legătură devine parte a modulelor de acţionare, astfel încât modulul acționează ca un actuator, precum și ca structură de conectare.
The link modules connecting units in between the actuators function as reachable workspace extenders. Some systems adopt a standard fixed-dimension connection module (Fukuda and Nakagawa 1988; Cohen et al. 1992; Tesar and Butler 1989), and some are variable dimension modules that can be customarily fabricated due to additional design constraints and requirements (Chen 2001). In some system (Paredis et al. 1996), the link module becomes part of the actuator modules so that the module acts as an actuator as well as the connecting structure.

Probleme de proiectare a interfeței

Interfața de conectare mecanică dintre modulele unui manipulator modular trebuie să îndeplinească cerințele de bază de (1) rigiditate, (2) reconfigurare rapidă și (3) interschimbabilitate. Astfel, proiectarea conexiunii mecanice sau a mecanismului de andocare pentru modulele robot devine o problemă critică. Într-un sistem robotic complet sau semi-supravegheat, ca toate sistemele de manipulare modulare (Paredis și colab. 1996; Fukuda și colab. 1988; Cohen și colab. 1992; Wurst 1986; Tesar și Butler 1989; Matsumaru 1995; Yang și colab. 2001; Chen 2001), mecanismul de conectare este proiectat pentru a fi acţionat manual din motive de fiabilitate şi siguranţă. Într-un sistem complet autonom, mecanismul de conectare trebuie proiectat cu un actuator suplimentar și mecanismul de blocare pentru realizarea automată a conexiunii. Acesta este cazul majorității roboților modulari auto-reconfigurabili.
The mechanical connecting interface in between the modules in a modular manipulator needs to meet the basic requirements of (1) stiffness, (2) fast reconfiguration, and (3) interchangeability. Thus, the design of the mechanical connection or docking mechanism for the robot modules becomes a critical issue. In a fully or semi-supervised robotic system, like all the modular manipulator systems (Paredis et al. 1996; Fukuda and Nakagawa 1988; Cohen et al. 1992; Wurst 1986; Tesar and Butler 1989; Matsumaru 1995; Yang et al. 2001; Chen 2001), the connecting mechanism is designed to be manually operated for reliability and safety reasons. In a fully autonomous system, the connecting mechanism needs to be designed with an extra actuator and the locking mechanism for carrying out the connection automatically. This is the case for most of the self-reconfigurable modular robots.

Pentru a îndeplini cerința de comunalitate privind controlul și puterea cu configurațiile robot în schimbare, interfața electronică și de comunicație pentru sistemul modular adoptă în mod normal arhitectura de rețea de comunicații cu capacitate plug-and-play similară rețelei locale (LAN). Există o serie de protocoale de rețea standard industriale pentru controlul robotului în timp real, potrivite pentru astfel de aplicații, cum ar fi CAN-bus și IEEE 1394. Dezvoltarea progresivă a protocoalelor de automatizare industrială va facilita implementarea comunicațiilor robotului modular.
In order to meet the requirement of commonality on control and power with changing robot configurations, the electronic and communication interface for the modular system normally adopts communication network architecture with plugand-play capability similar to Local Area Network (LAN). There are a number of existing industrial standard network protocols for real-time robot control suitable for such applications, like CAN-bus and IEEE 1394. The progressive development of industrial automation protocols will facilitate the implementation of modular robot communications.