CN105093963A - 模块机器人自修复仿真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种模块机器人自修复仿真系统及方法，包括：实体机器人系统、机器人控制平台、机器人自修复模拟仿真平台、故障生成与分析平台，其中：机器人控制平台与实体机器人系统相连，用于对机器人进行控制；机器人自修复模拟仿真平台与机器人控制平台相连，用于进行自修复仿真并传递仿真数据用于机器人控制；故障生成与分析平台与机器人自修复模拟仿真平台相连，用于生成虚拟故障模块，给自修复过程提供初始条件。本发明可以完成对实体模块机器人自修复的控制，模拟实际模块机器人自修复过程的运动情况，真实反映模块机器人自修复的运动机理，机器人机构设计，以供研制过程中机械结构设计、控制算法研究以及整体优化。
Description
技术领域
本发明涉及到机器人学、控制科学与工程、计算机科学与软件工程领域，具体的涉及一种仿真技术领域的系统，特别是一种模块机器人自修复仿真系统及方法。
背景技术
模块机器人是由多个自主的智能模块组成的机器人系统，利用模块之间的连接性和互换性，以及模块自身传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块之间的相互操作改变整体构形，扩展移动形式，实现不同的运动步态，完成相应的操作任务。
当系统中的若干个模块机器人出现故障时，需要通过模块之间的相互运动改变结构，使用正常的模块将故障模块替换，这就是模块机器人的自修复过程。这种机器人适用于工作环境变化大，操作任务复杂的场合，如空间操作，救灾搜索、战场侦察、核电站维护等。
模块机器人自修复研究的关键在于机械系统的运动学分析、动力学分析、运动模拟、控制算法。
目前，通过仿真试验来研究机器人的各种性能和特点，已经是机器人理论研究必备方法之一。仿真试验结果为机器人系统设计提供了有效的参考依据。因此，机器人仿真系统对理论和实践的价值、意义以及作用是显而易见的。仿真系统利用计算机的计算功能和可视化手段，模拟机器人的动态特性，有助于研究人员理解机器人的工作空间的形态及性能参数，揭示机器人的运动学、动力学及有效的控制算法等，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问题，避免直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。
特别是对于模块机器人自修复系统而言，其系统规模往往比较庞大，搭建实物试验平台在时间和资金上需要巨大的投入。通过计算机，搭建模块机器人仿真系统，可以大幅度降低投入成本，提高效率；并且可以实现碰撞检测、模块故障添加等实物平台不能实现的功能。
目前，研究者们开发了较多的机器人仿真平台。早期的M-TRAN系统中的仿真控制平台，他主要功能是实现交互式运动序列生成和进行重构仿真，生成的运动序列经过软件转换成硬件可以识别的指令，通过串口线下载到硬件执行。
DavidChristensen等人为模块机器人设计了一个通用的仿真平台USSR(theUnifiedSimulatorforSelf-ReconfigurableRobot)。USSR基于物理引擎，可以进行自重构变形实验规划和在仿真环境中的动力学交互仿真，例如摩擦，模块操作等。USSR仿真平台现在支持ATRON，Odin和M-TRAN三种自重构机器人，但USSR提供众多简单的模块组件，可以利用其组件构造新的或现存的其他类型模块化机器人，相当于开发模块化自重构机器人仿真环境的一个开放式平台。
经过对现有技术的文献检索发现，目前的模块机器人仿真平台基本上是面向自重构变形设计的。这些平台并不能很好的适用于模块机器人自修复仿真，自修复系统相对于自重构变形系统有许多不同。自重构变形的运动指令一般是外部给予的，而自修复需要自己检测故障，并自己发出修复指令；自重构变形一般是针对模块机器人系统整体构型的运动规划，而自修复关注的是模块机器人系统局部模块在系统内部的运动规划。因此，针对模块机器人自修复问题，开发一个仿真平台是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足与局限性，提出一种模块机器人自修复仿真系统及方法，其可以完成对实体模块机器人自修复的控制，模拟实际模块机器人自修复过程的运动情况，真实反映模块机器人自修复的运动机理，机器人机构设计，以供研制过程中机械结构设计、控制算法研究以及整体优化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种模块机器人自修复仿真系统，包括：实体机器人系统、机器人控制平台、机器人自修复模拟仿真平台、故障生成与分析平台；
所述机器人控制平台与所述实体机器人系统相连，用于对机器人进行控制；
所述机器人自修复模拟仿真平台与所述机器人控制平台相连，进行自修复仿真并传递仿真数据用于机器人控制；
所述故障生成与分析平台与所述机器人自修复模拟仿真平台相连，用于生成虚拟故障模块，给自修复过程提供初始条件。
优选地，所述机器人控制平台，包括人机界面模块、硬件驱动模块、通讯模块，其中：
人机界面模块，用于实现对实体机器人系统控制以及仿真机器人系统操作的人机交互；
硬件驱动模块，用于实现对实体机器人系统运动执行器的驱动；
通讯模块，用于实现上位机与实体机器人系统的控制器之间交互通讯；
优选地，所述的机器人自修复模拟仿真平台，包括图形显示模块、控制算法模块、模块机器人定义模块、机器人故障监测诊断模块、数据分析处理模块、碰撞检测模块，其中：
图形显示模块，用于实现对仿真机器人系统仿真运动状态的同步映射；
控制算法模块，用于实现对机器人的自修复控制算法设计；
模块机器人定义模块，用于实现对仿真机器人系统的三维结构设计、运动关节、连接端、构型、基本动作要素的定义；
机器人故障监测诊断模块，用于实现对机器人故障的监测以及故障类型和故障规模的诊断；
数据处理模块，用于实现对机器人自修复过程中仿真数据处理及绘图显示；
碰撞检测模块，用于实现机器人运动过程中的碰撞干涉实时监控。
优选地，所述故障生成与分析平台，包括机器人故障添加模块、故障监控模块、故障修复数据分析模块，其中：
机器人故障添加模块，用于实现添加仿真机器人系统中单个或多个机器人故障添加；
故障监控模块，用于实现对仿真机器人系统的故障分布、故障规模要素进行监控；
故障修复数据分析模块，用于实现对机器人自修复过程中，故障修复速度、时间、数量参数的数据处理及绘图显示。
优选地，所述的机器人控制平台中，人机界面模块对硬件驱动模块提供串口号、波特率参数的设置接口；硬件驱动模块通过对实体机器人系统驱动电机控制卡及串行通讯接口硬件电路的编程，控制驱动电机等执行机构；通讯模块将通过仿真得到的较好的参数传递给实体机器人系统的控制器。
优选地，所述的机器人控制平台中，人机界面模块是整个系统的操作核心，人机界面模块与其他平台下的模块都存在联系，直接对其他平台下的模块进行操作。
更优选地，所述的人机界面模块，对硬件驱动模块进行设置，包括串口号、波特率；对通讯模块进行电机运行速度、位置的设置。
更优选地，所述的人机界面模块，直接对机器人自修复模拟仿真平台中的各模块进行操作，具体的：
对图形显示模块的显示功能进行选择，对自修复过程进行动态动画显示；
对控制算法模块的多个算法进行选择，试验不同控制算法；
对模块机器人定义模块进行导入机器人模型、连接端设置、构型选择、动作定义操作；
对机器人故障监测诊断模块进行故障判断条件的设置，并显示故障规模；
对数据分析处理模块进行仿真数据的选择及相应显示图表的选择，绘制曲线，生成图表；
对碰撞检测模块进行检测修复过程中的干涉，提供发生干涉机器人的坐标位置并在图形显示窗口中以高亮色彩标识。
更优选地，所述的人机界面模块，直接对故障生成与分析平台中的各模块进行操作，具体的：
对机器人故障添加模块通过矩阵批量定点添加故障，并设置故障类型；
对故障监控模块监控并显示仿真机器人系统的故障模块，直观观察故障的分布；
对故障修复数据分析模块在故障处理中的故障修复速度、时间、故障数量参数进行分析处理及绘图显示，绘制曲线，生成图表。
基于上述系统，本发明提供一种模块机器人自修复仿真方法，包括如下步骤：
S1.模块机器人定义模块，导入机器人三维模型，进行连接端设置、构型选择、动作定义；
S2.控制算法模块，选择自修复算法；
S3.机器人故障添加模块，添加单个或多个机器人故障；
S4.机器人故障监测诊断模块，检测系统中所有模块机器人的故障情况；
S5.根据模块的故障情况和采用的自修复算法，系统执行自修复动作，模块在系统内部进行迁移，动作规则在S1中定义；
S6.图形显示模块，实时更新显示机器人仿真运动状态；
S7.修复过程中，碰撞检测模块实时检测系统中是否发生碰撞，发生碰撞的模块会以高亮红色在图形显示模块中标出；
S8.故障监控模块，实时监控系统中的模块故障，显示故障分布与规模；
S9.自修复仿真过程的所有数据，都被记录和保存在数据分析处理模块与故障修复数据分析模块中，能对仿真进行回放分析；
S10.人机界面模块提供以上所有步骤的操作界面。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明是针对模块机器人自修复问题的仿真平台，对于模块机器人自修复的运动学分析、运动模拟、控制算法设计发挥重要的作用。应用本发明的实时仿真系统，系统的控制算法修改方便，结果数据处理方便，自修复过程同步的图像动画显示使对机器人自修复的运动观察更为直观，机器人故障通过软件随机或规律性添加，此项功能在实物试验平台中较难实现。使用本发明进行仿真试验时，可以忽略许多实物试验平台的干扰因素，并提供方便的数据处理分析工具，可使开发者专注于控制算法，机械结构的研究改进，大大节省了时间和人力，提高了工作效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1本发明一实施例的系统组成图；
图2本发明一实施例的功能模块组织架构图，
图中：机器人控制平台1、机器人自修复模拟仿真平台2、故障生成与分析平台3；
人机界面模块4、硬件驱动模块5、通讯模块6；
图形显示模块7、控制算法模块8、模块机器人定义模块9、机器人故障监测诊断模块10、数据分析处理模块11、碰撞检测模块12；
机器人故障添加模块13、故障监控模块14、故障修复数据分析模块15。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种模块机器人自修复仿真系统，由多个模块构成，包括：机器人控制平台1、机器人自修复模拟仿真平台2、故障生成与分析平台3，其中：
机器人控制平台1与实体机器人系统相连，用于对机器人进行控制；
机器人自修复模拟仿真平台2与机器人控制平台1相连，进行自修复仿真并传递仿真数据用于机器人控制；
故障生成与分析平台3与机器人自修复模拟仿真平台2相连，用于生成虚拟故障模块，给自修复过程提供初始条件。
如图2所示，每个所述平台还包含多个功能模块，其中：
所述机器人控制平台1包括：人机界面模块4、硬件驱动模块5和通讯模块6；
人机界面模块4，用于实现对实体机器人系统控制以及仿真机器人系统操作的人机交互；
硬件驱动模块5，用于实现对实体机器人系统运动执行器的驱动；
通讯模块6，用于实现上位机与实体机器人系统的控制器之间交互通讯；
所述机器人自修复模拟仿真平台2包括：图形显示模块7、控制算法模块8、模块机器人定义模块9、机器人故障监测诊断模块10、数据分析处理模块11和碰撞检测模块12；
图形显示模块7，用于实现对仿真机器人系统仿真运动状态的同步映射；
控制算法模块8，用于实现对机器人的自修复控制算法设计；
模块机器人定义模块9，用于实现对仿真机器人系统的三维结构设计、运动关节、连接端、构型、基本动作要素的定义；
机器人故障监测诊断模块10，用于实现对机器人故障的监测以及故障类型和故障规模的诊断；
数据处理模块11，用于实现对机器人自修复过程中仿真数据处理及绘图显示；
碰撞检测模块12，用于实现机器人运动过程中的碰撞干涉实时监控。
所述故障生成与分析平台3包括：机器人故障添加模块13、故障监控模块14、故障修复数据分析模块15；其中：
机器人故障添加模块13，用于实现添加仿真机器人系统中单个或多个机器人故障添加；
故障监控模块14，用于实现对仿真机器人系统的故障分布、故障规模要素进行监控；
故障修复数据分析模块15，用于实现对机器人自修复过程中，故障修复速度、时间、数量参数的数据处理及绘图显示。
进一步的，在机器人控制平台1中，人机界面模块4与其他平台的模块都存在联系，直接对其他模块进行操作。具体的：
对硬件驱动模块5进行设置，包括串口号、波特率；对通讯模块6进行电机运行速度、位置的设置；
在机器人自修复模拟仿真平台2中，人机界面模块4对图形显示模块7的显示功能进行选择，如画面刷新速度设置、观察视角设置以及画面缩放、移动、旋转；对控制算法模块8的多个算法进行选择，试验不同控制算法；对模块机器人定义模块9进行模型导入、连接端设置、构型选择、动作定义等操作；对机器人故障监测诊断模块10进行故障判断条件，故障规模的显示；对数据分析处理模块11，进行仿真数据的选择及相应显示图表的选择；对碰撞检测模块12，如果机器人发生碰撞，发生碰撞的机器人在图形显示模块中呈红色；
在故障生成与分析平台3中，人机界面模块4对机器人故障添加模块13，可以设置所添加的故障类型，并可以通过矩阵批量添加故障；对故障监控模块14，可以显示故障模块，直观观察到故障的分布；对故障修复数据分析模块15，可以实现对机器人自修复过程中，故障修复速度、故障修复时间、故障修复数量等参数的数据处理及绘图显示。
进一步的，所述系统结构上采用模块化，通过多个模块协同实现模块机器人自修复系统的功能；各平台下的模块功能相对独立，模块之间通过数据链路与其他模块相连，硬件与软件之间通过PC机平台相连，软件有数据传输链路层。
基于上述的系统结构，一种用于对模块机器人自修复的故障检测和自修复过程仿真分析方法，具体流程如下：
S1.模块机器人定义模块9，导入机器人三维模型，进行连接端设置、构型选择、动作定义；
S2.控制算法模块8，选择自修复算法；
S3.机器人故障添加模块13，添加单个或多个机器人故障；
S4.机器人故障监测诊断模块10，检测系统中所有模块机器人的故障情况；
S5.根据模块的故障情况和采用的自修复算法，系统执行自修复动作，模块在系统内部进行迁移，动作规则在S1中定义；
S6.图形显示模块7，实时更新显示机器人仿真运动状态；
S7.修复过程中，碰撞检测模块12实时检测系统中是否发生碰撞，发生碰撞的模块会以高亮红色在图形显示模块中标出；
S8.故障监控模块14，实时监控系统中的模块故障，显示故障分布与规模；
S9.自修复仿真过程的所有数据，都被记录和保存在数据分析处理模块与故障修复数据分析模块中，能对仿真进行回放分析；
S10.人机界面模块提供以上所有步骤的操作界面。
本发明开发了一套针对模块机器人自修复问题的仿真平台，对于模块机器人自修复的运动学分析、运动模拟、控制算法设计发挥重要的作用。应用本发明的实时仿真系统，系统的控制算法修改方便，结果数据处理方便，自修复过程同步的图像动画显示使对机器人自修复的运动观察更为直观，机器人故障通过软件随机或规律性添加，此项功能在实物试验平台中较难实现。使用本发明进行仿真试验时，可以忽略许多实物试验平台的干扰因素，并提供方便的数据处理分析工具，可使开发者专注于控制算法，机械结构的研究改进，大大节省了时间和人力，提高了工作效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种模块机器人自修复仿真系统，其特征是包括：实体机器人系统、机器人控制平台、机器人自修复模拟仿真平台、故障生成与分析平台；所述机器人控制平台与所述实体机器人系统相连，用于对实体机器人进行控制；所述机器人自修复模拟仿真平台与所述机器人控制平台相连，进行自修复仿真并传递仿真数据用于机器人控制；所述故障生成与分析平台与所述机器人自修复模拟仿真平台相连，用于生成虚拟故障模块，给自修复过程提供初始条件；
所述机器人控制平台，包括人机界面模块、硬件驱动模块、通讯模块，其中：
人机界面模块，用于实现对实体机器人系统控制以及仿真机器人系统操作的人机交互；
硬件驱动模块，用于实现对实体机器人系统运动执行器的驱动；
通讯模块，用于实现上位机与实体机器人系统的控制器之间交互通讯；
所述的机器人自修复模拟仿真平台，包括图形显示模块、控制算法模块、模块机器人定义模块、机器人故障监测诊断模块、数据分析处理模块、碰撞检测模块，其中：
图形显示模块，用于实现对仿真机器人系统仿真运动状态的同步映射；
控制算法模块，用于实现对机器人的自修复控制算法设计；
模块机器人定义模块，用于实现对仿真机器人系统的三维结构设计、运动关节、连接端、构型、基本动作要素的定义；
机器人故障监测诊断模块，用于实现对机器人故障的监测以及故障类型和故障规模的诊断；
数据处理模块，用于实现对机器人自修复过程中仿真数据处理及绘图显示；
碰撞检测模块，用于实现机器人运动过程中的碰撞干涉实时监控；
所述故障生成与分析平台，包括机器人故障添加模块、故障监控模块、故障修复数据分析模块，其中：
机器人故障添加模块，用于实现添加仿真机器人系统中单个或多个机器人故障添加；
故障监控模块，用于实现对仿真机器人系统的故障分布、故障规模要素进行监控；
故障修复数据分析模块，用于实现对机器人自修复过程中，故障修复速度、时间、数量参数的数据处理及绘图显示。
2.根据权利要求1所述的一种模块机器人自修复仿真系统，其特征是：所述系统结构上采用模块化，通过多个模块协同实现模块机器人自修复系统的功能；各平台下的模块功能相对独立，模块之间通过数据链路与其他模块相连，硬件与软件之间通过PC机平台相连，软件有数据传输链路层。
3.根据权利要求1所述的一种模块机器人自修复仿真系统，其特征是：所述的机器人控制平台中的人机界面模块是整个系统的操作核心，人机界面模块与其他平台各模块都存在联系，直接对其他平台各模块进行操作。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种模块机器人自修复仿真系统，其特征是：所述的机器人控制平台中，人机界面模块对硬件驱动模块提供串口号、波特率参数的设置接口；硬件驱动模块通过对实体机器人系统驱动电机控制卡及串行通讯接口硬件电路的编程，控制执行机构；通讯模块将通过仿真得到的参数传递给实体机器人系统的控制器。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种模块机器人自修复仿真系统，其特征是：所述的人机界面模块，直接对机器人自修复模拟仿真平台中的各模块进行操作：
对图形显示模块的显示功能进行选择，对自修复过程进行动态动画显示；
对控制算法模块的多个算法进行选择，试验不同控制算法；
对模块机器人定义模块进行导入机器人模型、连接端设置、构型选择、动作定义操作；
对机器人故障监测诊断模块进行故障判断条件的设置，并显示故障规模；
对数据分析处理模块进行仿真数据的选择及相应显示图表的选择，绘制曲线，生成图表；
对碰撞检测模块进行检测修复过程中的干涉，提供发生干涉机器人的坐标位置并在图形显示窗口中以高亮色彩标识。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种模块机器人自修复仿真系统，其特征是：所述的人机界面模块，直接对故障生成与分析平台中的各模块进行操作：
对机器人故障添加模块通过矩阵批量定点添加故障，并设置故障类型；
对故障监控模块监控并显示仿真机器人系统的故障模块，直观观察故障的分布；
对故障修复数据分析模块在故障处理中的故障修复速度、时间、故障数量参数进行分析处理及绘图显示，绘制曲线，生成图表。
7.一种采用权利要求1-6任一项系统实现的模块机器人自修复仿真方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.模块机器人定义模块，导入机器人三维模型，进行连接端设置、构型选择、动作定义；
S2.控制算法模块，选择自修复算法；
S3.机器人故障添加模块，添加单个或多个机器人故障；
S4.机器人故障监测诊断模块，检测系统中所有模块机器人的故障情况；
S5.根据模块的故障情况和采用的自修复算法，系统执行自修复动作，模块在系统内部进行迁移，动作规则在S1中定义；
S6.图形显示模块，实时更新显示机器人仿真运动状态；
S7.修复过程中，碰撞检测模块实时检测系统中是否发生碰撞，发生碰撞的模块会以高亮红色在图形显示模块中标出；
S8.故障监控模块，实时监控系统中的模块故障，显示故障分布与规模；
S9.自修复仿真过程的所有数据，都被记录和保存在数据分析处理模块与故障修复数据分析模块中，能对仿真进行回放分析；
S10.人机界面模块提供以上所有步骤的操作界面。
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