题目：机器人软硬件系统模块化若干关键技术研究

当前机器人系统无论在软件还是硬件方面都不开放，属于相对专业应用的封闭系统。各种系统采用独立设计，使得机器人之间软硬件资源无法重复利用，集成门槛高，制约了机器人产业的良性发展。另外，随着机器人系统的功能日趋复杂，机器人软件更加难以兼容，复用困难。因此，机器人采用模块化设计方法，根据环境和任务的需要重构成形态和功能互异的机器人系统，使得机器人具有良好的环境和任务适应性，从而满足不同用户的特定需求；同时可避免低水平重复开发，提高设计质量，缩短开发周期，降低开发成本。本文着重围绕机器人软硬件系统的模块化模型、模块化体系结构、领域应用的实时性验证、实时通信方法以及模块化设计方法等方面的关键技术开展研究。第一，以机器人的通用组成结构为基础，结合基于模型和基于构件的软件工程技术，提出了基于结构-功能两级分离的机器人模块化模型F-Model，以解决机器人的模块划分和粒度设置问题。将机器人系统依照结构划分为硬件系统和软件系统，其中硬件系统划分为机构部分和电气部分，软件系统划分为通用领域模块和专用领域模块。利用集合论和图论重点分析软件系统，建立了机器人模块化软件中的系统构件和机器人领域模块的模型。在系统构件组装领域应用程序的过程中，使用有向图的关联矩阵、邻接矩阵和路径矩阵描述系统构件之间的连接拓扑，表征构件与软件应用之间的组装关系。第二，根据F-Model模型，提出了分层的机器人模块化软件体系结构RMSA，并分别从机器人基础构件、领域应用程序、基础设施、其他系统支撑等几个部分给出了模块化系统的工程实现方法。其中基础构件包括硬件抽象构件和一般软件构件，通过设计硬件抽象构件建立了机器人硬件中分类电气模块在软件中的逻辑映射，还设计了一种以构件ID为标识的轻量构件通信机制和资源管理器，在此基础上完成构件间的消费者-服务者数据通信，并采用基于优先级的消息机制完成构件间的事件通信。第三，以领域应用程序的实时性为目标，分析由构件组装的模块化软件系统特性。结合典型机器人领域应用实例，分析了该实例的构件在不同类型实时系统及不同系统结构间分布状况下的实时性问题，提出了由构件组装的领域应用程序实时性的必要条件。在设定系统采用固定实时任务调度及不考虑构件间通信的条件下，利用时间自动机对该实例进行形式化建模，使用TCTL描述目标性质，利用KRONOS工具进行了系统应用模块自动机的时序空间搜索和性质验证，结果表明所述实例的非芝诺性、可达性和实时性可以满足模块化应用要求。第四，在机器人领域模块满足任务实时性和自动机时间确定性的条件基础上，研究了构件及模块之间进行带优先级实时通信的方法，针对不同等级机器人构件及模块之间通信的优先级和抢占式需求，利用CAN 2.0的特性对IEEE 802.3的MAC层管理策略进行改进，提出了一种基于抢占式CSMA/CA策略的硬实时通信方法。搭建通信测试平台将该方法与CAN和IEEE 802.3进行对比测试，测试的结果验证了所提出的改进方法综合结果优于CAN 2.0及IEEE 802.3。最后，在F-Model模型和RMSA基础上，提出了基于结构-功能两级分离的机器人模块化设计方法。分析了设计方法中的领域模型分析、构件选择与统筹、模块化系统组装等关键环节。然后围绕6自由度关节工业机器人、双主动轮式移动机器人两种典型机器人产品形态，通过机器人模块和构件来组装典型的机器人应用，示范机器人的模块化设计过程。以多种软硬件模块构建的6-DOF模块化焊接机器人产品样机、医疗陪护机器人样机及教育娱乐机器人样机为实例，进行了模块化系统半实物仿真及在实际环境中的运行实验。其中6-DOF模块化焊接机器人完成末端跟踪直线和圆弧轨迹，并完成了实际工件的焊接，医疗陪护机器人和教育娱乐机器人分别完成了反应式自主避障运动。实验的结果验证了本文所述的机器人模块化关键技术与方法的有效性。