可重构模块化机器人现状和发展

由于市场全球化的竞争 ,机器人的应用范围要求越来越广 ,而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围 ,因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求 ,解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统 .本文介绍了可重构机器人的发展状况 ,分析了可重构机器人的研究内容和发展方向 .

基于机器人的可重构装配系统

本文分析了市场全球化给企业带来的挑战和机遇 ,提出了基于机器人的可重构装配系统 .在分析国外在可重构制造领域的研究状况的基础上 ,提出了基于机器人可重构装配系统的设计内容和方法 ,并提出了可重构装配系统今后需研究的方向

可重构机器人技术的探讨

本文概述了可重构机器人研究和发展现状 ,对基于多 Agent的可重构机器人的控制方法的研究作了较详细的介绍 ,根据可重构机器人的应用背景 ,指出了可重构机器人研究的必要性

可重构装配系统体系结构及其重构算法的研究

本文的研究内容是围绕国家“973”计划支持项目“基于智能制造单元的可重构装配生产线基础理论与实现方法研究”展开的。本研究以汽车减速箱装配生产线为实际背景，主要工作由四部分组成：对汽车减速箱的产品结构、装配工艺特征深入分析的基础上，提出了主干线和装配模块相结合的组织结构建模方法；利用网络法进行分析装配系统的三个重构过程，提出了适用于增容性、鲁棒性、适应新产品重构的优化算法；建立了基于多Agent系统的混合控制体系结构，利用JADE平台进行具体软件编程，实现了可重构装配生产线的控制系统；最后将组织结构建模、控制结构建模、重构优化算法有效的结合成统一整体，通过对Agent之间协商机制的研究，最终实现了可重构装配系统的实时重构、调度和控制，初步形成基于智能制造单元的汽车减速箱可重构装配系统的基本理论框架和方法体系。首先对汽车减速箱的产品结构、装配工艺特征进行了深入分析，从而形成了基于功能对象的产品族划分方法。在此基础上，根据模块化的设计思想，提出了主干线和装配模块相结合的可重构装配系统的开放式组织结构。通过引入缓冲区和多功能工作站，使得装配系统具有能力柔性、鲁棒性、功能扩展能力等特点，并能够通过模块的局部调整快速响应市场的需求。利用随机过程的基本原理，在建立缓冲区状态数学模型的基础上，以缓冲区被充满概率最小化为目标，通过递进算法确定缓冲区容量。讨论了可重构装配系统的两个规划问题：负荷平衡和多品种排序。阐述了混合模型产品的装配任务优先图和优先矩阵的合并，建立负荷平衡问题的数学模型，并总结了目前存在的求解方法。在归纳投产排序的优化模型和目标函数的基础上，介绍了生产比倒数法、试探法、循环改进法等优化方法。重构过程的优化是可重构装配系统研究的一个重要方面。利用网络法的基本原理，针对扩大生产能力、设备故障和新产品到达的三种系统重构要求，给出了相应的重构算法。通过装配操作向多功能工作站的转移以实现装配系统的增容；以工期延长最短为优化目标，利用网络法中的组织优化原则实现系统的鲁棒性重构；以最大候选原则的基本原理为基础，提出了基于固定设备约束的重构算法用于系统适应新产品的重构。在分析传统控制系统体系结构的基础上，根据可重构装配系统组织结构的特征，提出了基于多Agent系统的混合控制体系结构，它结合了递阶结构和分布式控制的优点，使得更有利于实现可重构装配系统的实时控制、调度和重构。为了对Agent进行建模和实现，在遵守FIPA规范的前提下，以汽车减速箱装配系统为背景，利用JADE开发平台，进行了各层Agent的实例开发，包括Agent属性描述、行为定义、通讯机制以及交互界面设计和Agent具体功能的编程实现。可重构装配系统重构过程的实现机理体现为多Agent之间的有效协商。在对现有Agent协商模型深入分析的基础上，针对鲁棒性、增容性、适应新产品的装配系统三个重构问题，提出了多Agent系统的协商机制，主要包括协商问题的形式化描述、协商模型、协商策略，结合相应的重构算法实现装配系统的重构。给出了Agent协商过程中存在的主要冲突和消解方法。通过多Agent系统协商实现可重构装配系统重构、调度和控制，充分体现了控制系统集中规划与分布式求解相结合的优点。

链式可变形机器人的构形与运动研究

本文的研究内容围绕中国科学院创新基金和GUCAS-BHPB基金资助的项目“可变形机器人的研究”展开，其目的是研制具有较强环境适应能力和高机动性能的可变形移动机器人系统，为我国在灾难救援和特种作业等应用领域提供技术储备。论文首先对可变形机器人的研究现状进行了概述，接下来展开了三个方面的研究工作：平台方面，提出了一种新型可变形链式结构，并进行了结构设计和实验验证；构形方面，提出了基于相似理论的构形研究方法，对链式可变形机器人的构形设计和构形转化方法进行了研究；运动性能方面，通过理论和实验分析了链式可变形履带模块机器人不同构形的转向性能、越障性能和倾翻稳定性能等。各种用于非结构环境的移动机器人机构中，模仿生物蛇原型的链式机构由于具有多于确定空间位置和姿态所需的自由度，能够有效、迅速、可靠地响应许多复杂的作业任务，但是该类系统具有转向半径大和侧向稳定性差等缺点。在非结构环境中，机器人需要通过“以变应变”才能够应对复杂多变的任务和环境。因此，论文基于偏置关节的思想，提出了一种形态和结构均能够变化的新型链式结构。机器人的单个标准模块由模块本体、连接臂和偏置关节等组成。偏置关节避免了模块间的运动干涉，扩大了机器人模块间的相对运动空间。机器人模块的数量可以根据实际需要选择，机器人通过变形可以产生多种构形，同时每种构形又具有多种步态以适应作业任务的需要。根据变形机理，研制了链式可变形机器人样机，并对样机进行了相应的原理验证实验。链式可变形机器人构形的复杂性随着模块数量和构形数量的增加呈指数增长，增加了构形设计和构形控制的难度。针对构形设计和构形转化问题，本文基于相似理论，提出了构形研究的一般分析方法，并将其归纳成为：表达(Expression)、计数(Enumeration)、评价(Evaluation)和有效性(Efficiency)等四个方面的问题(简称“Four-E Problem”)。在构形设计方面，根据模块的物理结构和邻接关系提出了用构形矩阵来表达机器人结构的拓扑信息，并在仿真环境下进行有效的描述；提出了基于组合计数原理的递归算法用于多模块可变形机器人非同构构形的计数、枚举，并根据构形矩阵所表征的拓扑信息对构形进行评价；最后根据仿真结果，给出了可变形机器人的构形设计示例。在构形转化方面，论文利用图论中的基本思想和原理对机器人的构形和构形网络进行了建模，对构形转化的路径进行了计算，对构形转化的最佳路径和中心构形的选择进行了分析；以三模块可变形机器人的构形网络为例，证实了该方法的可行性。履带式移动机器人的运动能力涉及的问题很多，包括接地比压、驱动能力、地面阻力、启动特性、转向能力、越障能力、平顺性和倾翻稳定性等。本文主要研究链式可变形履带模块机器人不同构形的平面转向特性、系统越障性能和倾翻稳定性能等。论文首先对链式可变形履带模块机器人单模块(单履带)的接地比压分布进行了研究，并对接地比压的核心区域进行了分析。在复杂的环境中，机器人运动的路径多由弯曲的道路组成，转向性能是其改变运动方向的一种重要能力。转向形式通常有滑移转向和铰接转向两种，分别适用不同的构形。论文参照杨红旗模型和Kitano模型分别对链式可变形双模块机器人和链式可变形三模块机器人不同构形下的滑移转向和铰接转向进行了理论和实验分析。移动机器人的越障性能是机器人本体和环境相互作用时所产生的一种综合特性。论文分析了链式可变形机器人系统的斜坡爬行性能、沟壑爬行性能、楼梯爬行性能和倾翻稳定性能。考虑到城市环境中，楼梯是最为典型的障碍物之一，论文重点对履带式移动机器人在踢面爬升、踢面翻越和坡度线爬行等阶段的运动条件、运动性能和影响因素进行了分析。在非结构环境中，大多数情况是坎坷不平的地面和复杂的三维地形，机器人的倾翻稳定性(或者说是抗倾翻能力)非常重要。根据Iagnemma和Papadopoulos提出的稳定性分析方法，定义机器人的倾翻稳定锥，对履带式可变形机器人变形过程中的倾翻稳定性进行了综合判定，同时通过仿真比较了机器人三种对称构形在仰俯、倾斜和偏转等组合干扰下的倾翻稳定性。稳定锥方法，为可变形机器人的倾翻问题提供了有效的理论分析手段，同时稳定锥方法还可以适用于其它轮式或腿式移动机器人的稳定性分析。理论分析和实验表明，本文研制的履带驱动链式可变形机器人平台，具有多种构形和步态以适应不同的环境和任务，具有废墟、砾石、草地、沙地、楼梯、坡度和管道等城市或野外环境的通过能力。可变形机器人机构灵巧、结构紧凑、便于携带，它不仅能够用于救援、消防、公安和环保等领域，在星球探测、国防安全等方面也有着潜在的应用前景。

可重构轮手一体机器人的控制及群体构形研究

可重构机器人顺应从结构环境下定点作业向非结构环境下自主作业的发展要求，能够更好的应用到环境复杂、危险性高、人类无法进入的场合完成作业。可重构机器人技术的发展拓展了机器人的应用空间，使其在星球探测、灾难救援、军事领域等方面均有良好的应用前景。因此，可重构和模块化机器人系统的研究成为机器人研究领域的热点问题。本论文的研究内容是围绕“863”计划项目“可重构星球探测机器人的研究”展开的。立足于可重构和模块化中的关键技术，针对一种新型可重构轮手一体机器人的控制及其群体构形理论进行深入的研究。研究内容主要包括模块化分布式控制系统、机器人群体体系结构、群体构形的表达和变换、构形重构优化和构形运动规划等。为了实现可重构轮手一体机器人的多关节机械臂、手爪、轮体的协调作业，实现控制的独立性、实时性，提出基于分布式控制器和CAN总线的模块化控制结构。以功能为划分依据，将控制系统分解成具有不同功能、由独立控制器执行的模块化子系统；采用分布式控制方法，使各子系统独立、同步地执行对应任务。在规划控制子系统和运算子系统中（即两个独立的控制器中）分别执行正向运动学运算和逆向运动学运算，实现轨迹规划的分布式计算。对不同控制结构和控制方法中的系统时序进行分析和对比，结果表明模块化分布式控制结构和分布式计算方法在系统执行时间方面具有性能优势。通过仿真系统和功能样机实验对模块化分布式控制系统和分布式控制方法进行验证。针对可重构轮手一体机器人群体中存在单个机器人和构形两种运动单元的特点，提出具有动态层次结构、融合构形控制和协作控制的体系结构，具有层次动态化与控制功能模块化的特性。以控制目标为依据，将体系结构分为三层：群体控制层、构形控制层和模块控制层。根据群体系统中作为控制目标的运动单元的形式，动态地改变层次结构及其功能，实现构形控制、多机器人协作控制、机器人运动独立控制。针对可重构机器人重构目的，提出矢量构形概念，将构形研究内容扩展到不但包括构形的拓扑结构，也包含构形的运动趋势方向和组成构形的各模块的姿态方位及连接关系。针对现有构形表达方法对可重构轮手一体机器人这类独立操作型模块、模块间具有多关节连杆的可重构机器人构形表达的局限性，创新性地提出基于模块状态向量MSV（Module State Vector）和构形状态矩阵CSM（Configuration State Matrix）方法，实现该类可重构机器人构形的表达和变换。模块状态向量和构形状态矩阵中每个值都对应机器人模块或群体构形的某种状态信息，具有无冗余数据、所需存储空间较小等特点。并且这种方法支持变换运算和操作，根据变换规则和数学变换可以表达、触发模块的行为运动和构形的重构。根据重构对象的初始状态，将构形重构分成组合重构和变换重构两类。基于模块状态向量和构形状态矩阵，提出以工作负荷为优化目标的构形组合重构优化算法、以姿态方位工作负荷和连接工作负荷的组合为优化目标的变换重构优化算法，通过重构优化结果获得模块在构形重构中状态对应变换关系，作为构形重构规划的基础。针对构形重构中的模块状态变换，提出基于最小能耗的模块机械臂关节运动顺序规划方法，通过机械臂转动的能量损耗计算，选择能量功耗最低时的机械臂关节运动顺序作为规划结果。提出融合时序关系的行为树，采用改进深度优先搜索算法遍历行为树获得构形运动或重构的行为运动序列和时序关系；构建语义逻辑系统实现参数化的构形运动行为及其时序的描述。采用仿真计算和机器人仿真系统对机器人重构和运动的优化、规划方法进行演示和验证。

制造系统的可重构性

可重构制造模式是一种指导管理和控制制造系统重构过程的制造哲理 ,它使制造系统有效地响应不断变化的环境。制造系统具有可重构能力是其生存和发展的基本手段 ,具有较高可重构性的公司在风云突变的环境中将远远超过其竞争对手。本文探讨了可重构制造模式的基本定义和内涵 ,并从组织、过程、产品、加工系统和信息平台等五个方面研究了制造系统的可重构性。

可重构机器人研究和发展现状

分析了可重构机器人研究和发展现状 ,对有代表性的可重构机器人作了较详细的介绍 ,根据可重构机器人的应用背景 ,指出了可重构机器人研究的必要性 .

动态系统结构与分形公司

传统的静态企业结构不能适应快速变化的环境，企业需要可以快速重构的动态结构，以内部变化来适应外部变化。系统的构成单元应该具有决策智能、自组织、协商合作和自治能力。本文研究了企业动态结构的需求与特点，同时介绍了分形公司的动态结构思想。

基于生产模型的制造执行系统平台研究

介绍了一个基于SP95标准的制造执行系统平台,分别从基础框架、模型构建等角度描述了系统的设计思想,并阐述了系统涉及的基于事件的平台运行机制、事件模型设计等关键设计技术。开发的基于数字化生产模型的制造执行系统平台具有一定的可集成性、可扩展性和可重构性,可适用于装配生产企业MES系统的定制与快速开发。

可重构车间管理系统的关键设计技术研究

介绍了一个基于组件的可重构车间管理系统,分别从建模方法、体系结构和组件设计等角度描述了系统的设计思想,并阐述了系统涉及的组件分类、组件粒度划分及XML的应用等关键设计技术。开发的可重构车间管理系统已经用于沈阳第一机床厂两个不同类型生产车间的管理,应用效果良好。

Antenna development for wearable wireless sensing systems

Embedded wireless sensor network (WSN) systems have been developed and used in a wide variety of applications such as local automatic environmental monitoring; medical applications analysing aspects of fitness and health energy metering and management in the built environment as well as traffic pattern analysis and control applications. While the purpose and functions of embedded wireless sensor networks have a myriad of applications and possibilities in the future, a particular implementation of these ambient sensors is in the area of wearable electronics incorporated into body area networks and everyday garments. Some of these systems will incorporate inertial sensing devices and other physical and physiological sensors with a particular focus on the application areas of athlete performance monitoring and e-health. Some of the important physical requirements for wearable antennas are that they are light-weight, small and robust and should also use materials that are compatible with a standard manufacturing process such as flexible polyimide or fr4 material where low cost consumer market oriented products are being produced. The substrate material is required to be low loss and flexible and often necessitates the use of thin dielectric and metallization layers. This paper describes the development of such a wearable, flexible antenna system for ISM band wearable wireless sensor networks. The material selected for the development of the wearable system in question is DE104i characterized by a dielectric constant of 3.8 and a loss tangent of 0.02. The antenna feed line is a 50 Ohm microstrip topology suitable for use with standard, high-performance and low-cost SMA-type RF connector technologies, widely used for these types of applications. The desired centre frequency is aimed at the 2.4GHz ISM band to be compatible with IEEE 802.15.4 Zigbee communication protocols and the Bluetooth standard which operate in this band.

Antenna tuning for wearable wireless sensors

When miniaturized wireless sensors are placed on or close to the human body, they can experience a significant loss inperformance due to antenna detuning, resulting in degradationof wireless performance as well as decreased battery lifetime.Several antenna tuning technologies have been proposed formobile wireless devices but devices suitable for widespread integration have yet to emerge. This paper highlights the possible advantages of antenna tuning for wearable wireless sensors and presents the design and characterization of a prototype 433MHz tuner module.

A dual-band antenna enabling improved quality of service in multi-radio wireless sensor applications in indoor environments

Science Foundation Ireland (CSET - Centre for Science, Engineering and Technology, Grant No. 07/CE/11147)

Hardware design of cryptographic accelerators

With the rapid growth of the Internet and digital communications, the volume of sensitive electronic transactions being transferred and stored over and on insecure media has increased dramatically in recent years. The growing demand for cryptographic systems to secure this data, across a multitude of platforms, ranging from large servers to small mobile devices and smart cards, has necessitated research into low cost, flexible and secure solutions. As constraints on architectures such as area, speed and power become key factors in choosing a cryptosystem, methods for speeding up the development and evaluation process are necessary. This thesis investigates flexible hardware architectures for the main components of a cryptographic system. Dedicated hardware accelerators can provide significant performance improvements when compared to implementations on general purpose processors. Each of the designs proposed are analysed in terms of speed, area, power, energy and efficiency. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are chosen as the development platform due to their fast development time and reconfigurable nature. Firstly, a reconfigurable architecture for performing elliptic curve point scalar multiplication on an FPGA is presented. Elliptic curve cryptography is one such method to secure data, offering similar security levels to traditional systems, such as RSA, but with smaller key sizes, translating into lower memory and bandwidth requirements. The architecture is implemented using different underlying algorithms and coordinates for dedicated Double-and-Add algorithms, twisted Edwards algorithms and SPA secure algorithms, and its power consumption and energy on an FPGA measured. Hardware implementation results for these new algorithms are compared against their software counterparts and the best choices for minimum area-time and area-energy circuits are then identified and examined for larger key and field sizes. Secondly, implementation methods for another component of a cryptographic system, namely hash functions, developed in the recently concluded SHA-3 hash competition are presented. Various designs from the three rounds of the NIST run competition are implemented on FPGA along with an interface to allow fair comparison of the different hash functions when operating in a standardised and constrained environment. Different methods of implementation for the designs and their subsequent performance is examined in terms of throughput, area and energy costs using various constraint metrics. Comparing many different implementation methods and algorithms is nontrivial. Another aim of this thesis is the development of generic interfaces used both to reduce implementation and test time and also to enable fair baseline comparisons of different algorithms when operating in a standardised and constrained environment. Finally, a hardware-software co-design cryptographic architecture is presented. This architecture is capable of supporting multiple types of cryptographic algorithms and is described through an application for performing public key cryptography, namely the Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA). This architecture makes use of the elliptic curve architecture and the hash functions described previously. These components, along with a random number generator, provide hardware acceleration for a Microblaze based cryptographic system. The trade-off in terms of performance for flexibility is discussed using dedicated software, and hardware-software co-design implementations of the elliptic curve point scalar multiplication block. Results are then presented in terms of the overall cryptographic system.