针对传统机器人关节在运动过程中的偏转角度、俯仰承载能力受限问题,以提高机器人偏转、俯仰运动能力为目标,提出单电机驱动双轴式、具有大偏转角度特性的偏转关节模块,和基于平行四边形结构及弹簧部件、具有低功耗高承载能力特性的俯仰关节模块,进行了偏转模块、俯仰模块运动特性分析。建立基于新型模块的机器人运动学模型,对比分析相同尺寸及工作条件下新型机器人与基于传统关节机器人的工作空间,结果表明:同等条件下新型机器人工作空间明显大于传统机器人结构,所提出新型关节模块可有效提升机器人运动灵活性。

基于蓝牙的无线通信系统是模块化机器人闭环控制系统的一个重要组成部分，上住机与机器人之间的通信通过蓝牙模块来实现。本文在介绍了蓝牙技术的基础概念的基础上，提出了基于蓝牙的无线通信解决方案，解决了短距离模块化机器人的无线通信问题，简化了机器人无线通信的设计，增加了通信的可靠性。

为适应不同应用场景机器人的定制化需求,研究基于一体化关节的模块化六轴机器人搭建技术。研制14和25两种型号关节,确定其机械与电气通信接口,并测试得到关节性能参数。选用BRR腕结构六轴机器人构型,通过MDH参数法得到该构型模块化机器人正运动学特性。通过分析机器人最大工况负载,研究臂展、加速度及负载之间关系。以设计的50 N负载机器人为例,仿真最大负载工况空间运动轨迹,并联合ADAMS软件进行动力学分析,验证机器人各关节的负载特性。基于模块化机器人技术,搭建两种臂展机器人,使用激光跟踪仪对机器人进行标定实验,并将机器人应用于巡检作业场景。结果表明:基于一体化关节的模块化机器人技术,可快速实现对臂展和负载的定制化需求。

针对模块化机器人的控制和形态参数移植过程复杂的问题,提出了一种开放式的模块化自重构机器人EMERGE。首先基于自由度、外形特性和连接面的分类描述分析,确立了模块的基本特征。在此基础上,通过对模块的连接机制、控制系统的分析设计,给出了开放式的实体模块化机器人。然后在仿真环境中基于移动任务对由EMERGE模块所组建的机器人的形态参数和控制参数进行进化。最后将仿真中得到的模块化机器人的构型和控制参数移植到实体机器人上进行可移植性实验。实验测试表明,该机器人模块结构简单、组装容易、硬件开源、简单易用,具有快速构建、测试不同形态的机器人的能力,有效地减少了移植的时间成本和耗材成本。

针对EMERGE模块化机器人的结构特点和构型特性,提出了一种准确描述模块化机器人构型关系的构型拓扑描述方法。首先基于模块的自由度和外型特征,得到模块的运动特性,确立了构型组建过程中单个模块的状态表;然后对构型组建过程中相邻模块之间存在的不同连接方式及连接关系进行分析,提出了一种以二进制数为基础的状态表达法,并根据机器人的模块状态和连接状态建立了可以完整描述机器人构型的拓扑表达矩阵。最后,以EMERGE模块所组建的蛇形构型和双足构型机器人为算例,进行了拓扑描述实验。结果表明,该拓扑描述方法表述清晰,易于理解,简单易用,能够为后续模块化机器人的自重构策略研究提供理论基础。

针对环形模块化机器人的静态运动存在着速度慢、易卡顿、灵活性低的问题,提出一种利用惯性和质心偏移来辅助完成移动的动态规划方式。首先对EMERGE模块的运动性能以及由此模块组成的环形构型拓扑进行分析,确立了动态运动规划方式的前提条件。然后在以平行四边形为核心的静态运动规划的基础上,加入惯性和质心偏移的辅助条件,并建立环形机器人动态运动模型。最后,以8个EMERGE模块组成的环形构型机器人为实验对象,进行了动态运动规划实验。实验结果表明环形构型的动态运动方式能够以稳定的方式进行直线前行;拥有比静态运动方式更快的运动速度和机动性能,大幅度减少了模块前行所需的关节角变化,为模块化机器人的实际应用提供了更多可参考的运动方式。