基于模块化机器人原理的动态雕塑品

第 25卷第 5期 2009年 10月
机械设计与研究 M achine D esign and R esearch
V o.l 25 N o. 5 O ct. , 2009
文章编号: 1006 2343( 2009) 05 026 05
基于模块化机器人原理的动态雕塑品
张 坛 1, 杨国胜 2, 钱志勤 1, 章文俊 3 ( 1. 华东理工大学 机械与动力工程学院, 上海 200237, E m ai:l tandy2007@ yah00. cn;
分别为 l、w 和 h, 其中 l> w > h。如图 5所示。 坐标 系 O xyz: 其原点为长方体几何中心;
x、y、z 轴分别与长边、宽边、高平行, 指向有凸端口的 面; 且 x、y、z 轴满足右手定则。
按照模 块坐
标系 来定 义模 块
的 6 个 面, 如 图 5 所示。
面 1: x 轴 和 y 轴所 在的面; 面 2:
模块机器人是 由一套 具有 各种尺 寸和 性能 特征可 交换 的模块组成, 能够被装配成各种不同构形 的机器人 以适应不 同的工作。最初的 模块机 器人 是由多 个关 节模 块和连 杆模 块组装而成。关节模块是独立的驱 动和传动 单元, 而连杆模 块是两端带适应连接 的构件。卡内 基 - 梅 隆大学 P ared is等 人建立了可重组模块化操系统 ( RMM S), 利用一套可交换的 不同尺寸和特性的连杆和关节 模块, 通过 这些通用 模块装配 出各种专用的机器人 [ 4]。 Chen I- M ing [5, 6] 等人设计了特定 模块机器人专用的 模块, 研 究了 构形的 设计, 并 在模块 机器 人的运动学和动力学控制、标定算法和仿 真应用软 件等方面 取得了较高的理论研究成果。毕著名 [ 7, 8]对模块 机器人作了 更为深入的研究, 提出 了最 通用 的模块 机器 人架构, 但 这些 研究都面向工业 机器 人。其所 采用的 是比 较特 殊及专 业化 的模 块, 具有 较大 的质 量, 价 格高, 不 适合 用于 动态 雕 塑品 中。本文提出用 轻质 塑料模 块来 组装动 态雕 塑品。该 动态 雕塑品是真 实的, 但 本 文只 展 示其 在虚 拟 环境 中的 结 构模 型。由该模型出发, 我们可以搭建一个个 真实的模 块动态雕 塑品。以下章节将 具体阐 述本 文提出 用轻 质塑 料模块 来组 装动态雕塑品。用 LEGO 模块建立构件 及机构, 最后 通过实 例对提出的概念 和方 法进行 论证。以 下章 节中 将具体 阐述 用 LEGO 模块建立构件 及机 构, 以及 其计 算机 实现 过程, 最 后通过实例对提出的 概念和方法进行论证。
这 里首 次提 出了 机器 人雕 塑 的 概 念, 采 用 机 器 人作为 雕 塑品 的内 部框 架, 外 部 覆 盖 其 它 材 料 以
图 1 舞风 图 2 模块雕塑
第 5期
张 坛等: 基于模块化机器人原理的动态雕塑品
27
表现雕塑品的美感, 进 一步 操控 机器人 运动, 则 整个雕 塑品 外形会发生变化, 从而体现出雕塑品 动态之美。它 将机器人 技术、计算机技术和艺 术学 有机 结合, 满足 了动 态雕塑 的动 态化, 智能化和模块化的要求。
在该面上所有端口中的 行与列。
当端口在面 1或面 2上, 平 行于 x 轴 依次 排列 的端 口,
沿 y 轴正向记为 1, 2, , n行, 平行于 y 轴 依次排 列的端 口, 沿 x 轴正向记为 1, 2, , n列;
当端口在面 3或面 4上, 平 行于 x 轴 依次 排列 的端 口,
沿 z 轴正向记为 1, 2, , n 行, 平行 于 z 轴依 次排列 的端 口, 沿 x 轴正向记为 1, 2, , n列;
不同的模块, 不同的连接方式能够组 装成不同构 形的机 器人。每一个模块 机器人 的构 形可以 通过 邻接 装配矩 阵来
表示。邻接装配矩阵包括模块机器 人中所有 模块的种类, 模 块间的连接信息以及所 有参与连接的端口的信息。
2. 1 模 块坐标系的定义
由于每一个模块都 可以看作长方体结构, 所以对 模块坐 标系的定义就是对该长方体坐标 系的定义。 定义长、宽和高
艺术家千年来 一直错 误的 相信具 备静 止的 节奏才 可以 称为艺术, 当机械与艺 术结 合在 一起的 时候, 一 个新的 流派 诞生了, 即动态艺术 [ 1] 。早 期的 动态艺 术是 将艺术、计 算机 科技、声 光效果等 结合在 一起, 运用 各种曲线 的旋转, 在 光、 影、色方面给观众带来 强烈 的视 觉冲击 力, 然而 这种视 觉效 果只是艺术 - 观众的 单向联系 [2] 。另 一种 动的 雕塑 合理 的利用了现代 化的 科技手 段, 与风、水、电、声、光以 及观 者、 环境全面互动, 使 静 的雕 塑 成为 动 的雕 塑 。 如图 1所 示瑞士雕塑家拉尔 方索的 作品 舞风 。它会 在风力的 帮助 下呈现出一种优 美的 波浪形 摆动。但 这种 会动 的雕塑 品的 功能仍然 比较 单 一。近年 来, 制 造业 及 智能 化产 品 飞速 发 展, 产品的性能也越来越多。对于雕塑的 多功能需 求也不容 忽视。与此同时, 模块化的发展也逐渐成 为社会各 个行业发 展的趋势。由大量通用的、具有独立功能 的组件加 上少量专 用模块组合成特定的 设备或系统, 称为模块 化 [ 3]。 模块化产 品的优势就是模块的统一性和 通用互换性。 鉴于此, 考虑到 运用模块化来实现 雕塑 精雕 细琢 追求完 美的特 性。本文 采用塑料模块 (如 LEGO 模块 )组 装 成 模块 雕塑 , 这 不仅 满足了雕塑制作过程中不断拆 卸和组装的要 求, 而 且减轻了 雕塑的质量, 使其 更加 灵活。如 图 2所 示。同 时, 为了 实现
3. D epartment o fM echan ica l Eng ineer ing, U niversity of Saska tchew an, Saskatoon, SK S7N 5A9, Canada) Ab stract: T his paper propo ses an arch itecture o f the dynam ic sculpture based on the modular robo tic pr inc ip le. The plastic m odu les ( e. g. , LEGO modu les) are proposed to imp lement this arch itecture. Fo r th is reason, the paper presen ts the com puter- based m ethod for analysis of assemb les based on LEGO modules. The application o f th is m ethod to con struct dynam ic scu lpture products is explained, including the exam ple of L ogo o f the Shangha i 2010W orld Expo. K ey words: robo tic scu lpture; m odu lar robo t; assem bly adjacent m atr ix; transforma tion m atr ix
与面 1平行的面; 面 3: x 轴 和 z
轴所 在的面; 面 4:
与面 3平行的面;
面 5: y 轴 和 z
图 5 模块坐标系及面的确定
轴所在的面; 面 6: 与面 5平行的面。
2. 2 端 口代码
每两个模块都是通 过端口或者关节连接 在一起, 如果已 知每个端口所属模 块的 类型, 端口 所在 模块 的面, 以及 端口 在该面上所处的位 置, 那么 就惟一 的确 定了 该模块, 以 及与 其他模块的连接 方式。如 果每 个端口 信息 用端 口代码 来表
1 模块化的塑料模块系统
为了满足动态雕 塑的外观和智能需求, 采用 塑料模块 LEGO 模块来搭建 动态 雕塑。 LEGO 模 块结 构简 单, 质 量很 小, 强度很高, 不 同模 块间可 以随 意方便 的连 接。这里 模块 主要分为连杆单元模 块和关节模块。
连杆单元可以 看作具 有不 同凸端 口和 凹端 口的长 方体 结构。不同模块的凸端口和凹端口 都采用标 准设计, 因此可 以通过任意端口成对 连接, 形成不同 的连杆。连杆 单元间没 有相对运动, 如图 3所示。利用转动关节或移动关节将两个
( 1. Schoo l of M echan ica l and Pow er Eng ineer ing o f East Ch ina U n ive rsity o f Sc ience and T echno logy Shangha i 200237, Ch ina; 2. Schoo l o f Inform ation Eng inee ring ofM inzu U niversity of Ch ina Be ijing 100081, Ch ina;
图 3 连杆单元和连杆
图 4 转动关节和移动关节
连杆单元连接在 一起, 则可 以实 现连杆 的相 对转动 和移 动。
如图 4中所示 的 1 , 2 分别为 转动 关节 和移 动关 节。将 单一的销子定义为 关节使 整个 模块机 器人 每一 部分都 不可
再分, 从而使整个机器人系统更பைடு நூலகம்模块化。
2 模块装配关系
当端口在面 5或面 6上, 平 行于 y 轴 依次 排列 的端 口, 沿 z 轴正向记为 1, 2, , n 行, 平行 于 z 轴依 次排列 的端 口,
沿 y 轴正向记为 1, 2, , n列。
28
机械设计与研究
第 25卷
2. 3 邻接装配矩阵
性, 并以 2010年上海世博会吉祥物为例, 解释说明这种方法的可行性。