机器人模块化

北京大学工学院课程报告专用纸2011 -2012学年第2 学期姓名：雷博学号： 1100011099 课程名称：机器人竞赛实践主讲教师：谢广明题目：教师评语：成绩：教师签名：机器人的模块化机器人竞赛实践课程期末论文雷博2012 06 04机器人的模块化关键字：机器人，模块化，协调与整合；背景：随着科学和技术的进步，机器人的类人化仿真已经取得了一些比较重要的成果。

比如机器人的类人化双足行走○1和机器人人机互动手臂○2基本已经实现，还有机器人对于人面部表情的模拟和识别○3也已经取得了突破性的进展。

总体上看，机器人的某一模块以在功能，作用方面的实现为方向的研发已经突飞猛进。

需要注意的是，这些“成熟”的机器人没有学习和记忆能力，也没有多少分析决策能力：因而没有人的指令预设它就不会动，就算能动也只是做一些又预设程序决定了的重复性活动；它也没法“新陈代谢”○4，永远存在着硬件方面的机械性老化和磨损便会一直进行，即是一个机器人没法长期性的自动更新，只能越来越破，越来越旧；它也没有感情○5，更不可能懂的什么是爱○6；······于是，我们就能发现，目前机器人的研究和开发还只是一个模拟性阶段过程，那么纵然自动执行指令的能力有多么好，它们逃不出“ROBOT”这个单词背后暗指“奴隶”的诅咒○7。

和人完善和成熟的生理功能相比，机器人的化还有很长的路要走。

由此，在机器人的研究和开发领域，一定程度上地分析和借鉴人类生理上的精妙系统化构造和各个系统搭配工作的过程将具有很重要的启发意义。

并且，相应地将机器人模块化分析和研究将有助于“隔离法”局部性研究。

且不提机器人高度智能化和自主化的负面后果，能够做出智能化和自主化的便已经是一种价值的伟大创造，而且我们也不应该因噎废食，仅仅因为潜在的风险而停下探索的脚步。

人类，作为万物之灵，是生物进化史上的一个奇迹。

在生理上神经系统、运动系统、消化系统、呼吸系统、免疫系统、泌尿系统、脉管系统、生殖系统、内分泌系统和感觉器官○8一起协调合作，稳定搭配，借助新陈代谢这一核心过程，实现人了自主思考，学习与推理，运动和语言等重要特征性生理功能。

机器人的模块化机器人模块化的定义：机器人的模块化，就是将机器人某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统；再将这个子系统作为通用性的模块与其他子系统进行组合，构成一个完整的机器人，甚至产生多种不同功能或相同功能、不同性能的效果。

机器人模块化的意义：通过机器人的模块化过程有助于研究和开发。

将机器人的各个组分分离开来进行研究，可以降低机器人研发的复杂度，使设计、制作、调试和维护等过程简单化、经济化、高效化；同时让各个领域的专家做自己擅长的事情，可以让他们充分发挥各自的专业优势，将自己负责的模块做到最好；模块化机器人的可塑性非常强。

基础性的若干个模块能够组装成一个简单的机器人，另外附加的若干个功能能性模块则可以使其按照人的目的去组装成任何想得到的形态，并且发挥相应的功能。

模块化机器人的可维护性非常强。

因为每一种模块在研发成型了之后，每一个这样的小体系都能够完成相同的工作，这也就意味着它们之间能够相互替代，为老旧的或者损坏的模块提供修复的原材料，这个过程只需要卸下老旧的或者坏掉的模块或简单地吸纳一个新的模块。

将它们放置在一起，模块可能像一盘沙子或一摊水银，但是当这些零件发生联系后，模块机器人可以组装成任何形式。

模块化机器人的经济性非常强。

我们注意到，研发过程中模块化让人力、物力、财力各得其所，各尽其用，这有助于避免浪费现象，将显著地降低研发成本，提高研发过程的经济性；同时，模块化机器人的可塑性也意味着一个机器人生产企业可以在一个工厂就生产出全系列的机器人产品，这有利于企业规模效应的实现○9，那么原料、运输、地租、人力、管理等方面的成本自然也就降下来了，生产过程中的经济性自然就达到了；还有，对于每一个机器人的使用者而言，难免碰到的机器人发生故障，这时经过一些修理便能继续使用，其中常见情况就是某一个模块坏掉了，那么修理时只处理这一个模块就行了。

与动不动就购买新的机器人相比，更换，翻修单个特定模块都是极其合算的的事情，于此，机器人的可维护性成就了机器人在使用过程中的经济性。

机器人模块化的实现条件：1、机器人的模块化需要一个共同的开发平台。

机器人的模块化能够将一个完整的机器人分成若干的小的子系统，而这些子系统之间需要建立在同一平台上才能组装得上，才能从一堆功能单一的模块完成到机器人的转变。

这就好比计算机编程，A用C++编写了一个头文件，B 写了用JA V A写了主函数；头文件和主函数可以完美地组成一个程序，但在这里C++和JA V A 平台的非兼容性让这两个子程序形同陌路。

同样，机器人的模块化按照一定的标准进行模块分类，这些分类标准将一个完整的机器人分成若干个不同的部分，也将它当中的某些子系统走在了一起(比如按功能来分，发声和发光完成的都是机器人的一种自我信息表达，它们被分在了一起。

)这里这些分类的依据的共同标准就是一个平台。

2、协调与配合。

机器人需要各个模块的完整和正常。

人的“模块”的9大系统外加一些感知器官从生物学角度上来说都是很完美的生命组织，但它们从不可能做到独立运作，它们只有当且仅当各个部分都正常运转时才能保证全身新陈代谢的正常进行和人的健康。

同样，机器人需要各个模块的完整才能正常工作。

可能某些模块看上去不那么重要，它们坏了一点机器人还能够正常运转一段时间，不过总体上看，坏了就是坏了，因为坏的这些模块其他的模块也要承担更多的工作任务，这些非正常量早晚也会导致这些模块的老化和故障，最终造成整个机器人的崩溃。

（多轮运动的机器人其中一个轮子坏了其他轮子还能维持机器人的正常工作，不过总体上看，一个轮子坏了，机器人还能动；更多的重量被放在了正常的轮子上，它们出问题的几率大大增加，）机器人需要各个模块的协调和配合。

机器人的各个模块只有通过协调和配合（具体实现会在下文论述）成一个和谐的整体才能共同工作，实现机器人的功能。

试想要是模块A工作不到位甚至和模块B发生“矛盾”，与模块A直接协作的各个模块也一定完不成相应的任务（如果A是直接作用于环境，是机器人的功能直接执行者，那么此时机器人的功能执行也会大打折扣），总体上机器人的功能实现也会收到一定的影响。

对于智能化程度高一点的机器人，各个模块的协调和配合甚至是其智能化过程实现的核心。

机器人模块化的标准：机器人模块化在于按照机器人各组分结构特性，功能特点，连接模块特点等标准对机器人各组分进行分组，这在不同机器人上有不同的分组情况和模块化结果。

来看一个例子：参照人类生理结构的系统化特点（新陈代谢和思考两大基本生理功能），一个独立性机器人可以分成以下三大体系模块，分别如下：⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩感知模块终端计算模块表达模块生存模块（注：感知模块，终端计算模块，表达模块分别对应反射过程中的感受器、神经中枢、效应器；生存模块对应人体全身所有用于进行新陈代谢的系统）以下对各个模块的工作机理和模块体系间的合作关心从实现目标与应用前景、搭配与合作、实现方式与核心技术构想几个方面进行阐述。

表达模块（可以分成运动与力量表达子模块和语言与文字表达模块）运动与力量表达模块○9：它隶属于表达体系下，通过以下几种运动方式达到机器人自身及其他 相关事物的在动态过程中在自身相对稳定状态（还能够控制自身运动状态）下的物 理性空间转移（比如机器人在跑动过程中拿起一本书）。

实现方式：⎧⎪⎨⎪⎩自然生物运动模拟：飞行（包含滑翔），游泳，奔跑（包含行走、爬行和跳跃），蠕动等；人工机械运动模拟：转动（包含螺旋桨式、轮子转动式、皮带链条转动式等），反冲，铰链、弯曲伸缩、形变等；未知运动方式：粒子化背景下的远程实物传输等（ 注：这里的未知运动方式主要指物理意义上的非经典运动。

）搭配合作与核心技术构想：通过与感知模块（全方位了解和识别包括附带的其他事物在内的周边环境，并监控自身各参数状态），能源模块（提供能量），力量表达模块（将能量进行表达，比如人通过双腿实现平衡），记忆与存储模块（调用运动历史上的类似运动数据作为参照），终端计算模块（分析周围环境、运动历史、运动目标和自身状态，调控新的力量表达以实现运动目标）的通力协作，实现对自身运动状态的动态控制。

实现目标与应用前景：机器人（及其附带的其他事物，通俗讲就是货物）能够自主性完成目标指向性运动，基本上不受环境影响。

比如美国波士顿动力公司在美国军方的支持下研发出来的能负重跑动 的机器狗○10。

语言与文字表达模块：它隶属于表达体系下，通过对周围环境的任何事物进行意图和情感方面的分析和判断，并做出相应的预测和决策，进而通过语言文字等方式按照与对方一起约定的信息定义与标码规则进行自我信息表达。

实⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩文字：世界上若干种文字性编码，和图像（强调图像）；语言：世界上若干种语言（强调声音）；运动：世界上若干种运动形态（强调动作）；味道：世界上若干种嗅觉形态（强调味道，包括闻到的、尝到的、触到的）；化学讯号：世界上若干种化学物质（强调物质对讯号一一对应性）；其他方式：电磁波（包括光信号等一系列振动）；微观物理上的各种粒子与效应等搭配合作与核心技术构想：这里的核心其实就是机器人对于感情的信息化（这需要建立在有意识，懂意识的基础上）过程。

其中“文字”到“文字”的转化对于机器人而言并不难，这就像是GOOGLE翻译一样，预输入一定的语法和发音程序，它就能比较准确地完成翻译工作。

比较麻烦的是意识形态到文字的转化，这就好比一个让普通的朝鲜人突然用全德语表达，虽然他有自己的思想和意识，但他一时并不能用一门新的语言进行表达，通俗一点说就是“不识字”。

机器语言（参见后文关于终端计算模块通过连接式“计算”实现思考过程的阐释）当中的不同的若干条连接可以表示不同的意思，这和汉语英语等语言通过单字连接组成句子表达意思并无二致，这些个意思都是人为规定的，机器人并不明白，于此，终端计算模块通过连接式“计算”实现思考便显得尤为重要。

相比之下，感知模块收集和传入的所有数据的表达就变得较为简单了，毕竟这是一个终端计算模块不用怎么处理的过程。

实现目标与应用前景：机器人将自身的各种理化数据、意识形态以若干种方式进行有效表达。

感知模块它隶属于输入体系下，借助多重理化传感器通过对周围环境和自身各部位的任何事物进行物理和化学信息的全时性收集，并做出相应预处理，进而通过信息传递模块将信息传递到终端计算模块处进行连接式计算。

在这里人的皮肤的参照作用体现得比较明显：人的皮肤能够感知温度，压力等理化参数。

实现方式：1、应对各种理化参数的传感器；2、全面运用感知性材料(比如运用压力敏感材料通过导电性差别来感知压力的大小），通过各种感知材料的复合性（高度交叉）使用，达到多种数据同时收集的目的；3、通讯：和语言与文字表达模块对应地按照一定的语言文字编码协议基础进行解读，这完全是语言与文字表达的逆处理。