模块机器人自修复仿真系统及方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]David Christensen等人为模块机器人设计了一个通用的仿真平台USSR (theUnified Simulator for Self-Reconfigurable Robot)。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。
[0009]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】
[0010]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。
[0011 ] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]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:
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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:
[0021]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；
[0022]控制算法模块，用于实现对机器人的自修复控制算法设计；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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。
[0027]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:
[0028]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；
[0029]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；
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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:
[0035]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；
[0036]对控制算法模块的多个算法进行选择，试验不同控制算法；
[0037]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；
[0038]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；
[0039]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；
[0040]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。
[0041]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:
[0042]对机器人故障添加模块通过矩阵批量定点添