GB/T 33261-2016 服务机器人模块化设计总则

　　ICS 25. 040.40 J 28

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33261—2016

　　服务机器人模块化设计总则

　　Generalspecificationsformodulardesign ofservicerobot

　　2016-12-13发布 2017-07-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 33261—2016

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国机械工业联合会提出 。

　　本标准由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC159)归 口 。

　　本标准主要起草单位 :北京航空航天大学 、上海大学 、北京机械工业自动化研究所 、沈阳新松机器人自动化股份有限公司 。

　　本标准主要起草人 :雷静桃 、魏洪兴 、杨书评 、邹莹 、徐方 、高雪芹 。

　　GB/T 33261—2016

　　引 言

　　服务机器人不同于工业机器人 ,工业机器人结构形式单一 ,构型基本固定 ,多进行重复性操作任务 ;而服务机器人类型众多 ,形态各异 ,其结构构型和功能具有多样化特征 ,多工作于非结构化环境中 。

　　面对服务机器人巨大市场需求 ,如何推进服务机器人产业快速形成? 机器人学界专家借鉴计算机产业成功发展模式 ,提出面向服务机器人的模块化和标准化设计思想 ,通过服务机器人模块化设计 , 以标准先行推动服务机器人模块化研发 、制造与集成 ,从而推动服务机器人产业化 。

　　本标准体现机器人模块化设计基本思想 , 即从实现不同功能的角度 ,设计具有标准接口 、能完成 一定功能的 、可互换和重用的功能组件 ,这些功能组件可由不同的专业供应商提供 ,机器人系统可由这些功能组件组装而成 ,其目的是降低机器人开发难度 ,提高研发效率 , 降低制造成本 。

　　本标准用于指导服务机 器 人 研 发 、制 造 和 集 成 , 采 用 模 块 化 设 计 的 基 本 原 则 、标 准 体 系 和 设 计 流程等 。

　　服务机器人模块化设计总则

　　1 范围

　　本标准规定了服务机器人模块化设计相关术语 、机器人模块化设计基本原则 、机器人模块化体系结构 、机器人模块化设计标准体系 、机器人模块化设计流程等 。

　　本标准适用于服务机器人研发 、制造和集成 。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　2. 1

　　服务机器人 servicerobots;SR

　　除工业自动化应用外 ,能为人类或设备完成有用任务的机器人 。

　　[GB/T 12643—2013,2. 10] 2.2

　　机器人模块化 robotmodularity;RM

　　按照软件和硬件分离 、功能分离 、结构分离等原则将机器人系统划分成若干相对独立的基本组成部分 ,并按照通用化 、标准化等原则设计成可组合 、可重用 、可更换的相对独立的模块化单元 。

　　2.3

　　机器人功能组件 robotic functionalcomponent;RFC

　　实现机器人模块化的要素 ,具有独立的结构 ,符合标准的软件和硬件接口规范 , 能完成机器人相关的独立功能 ,能够实现支撑 、运动 、感知 、计算 、控制等特定功能 。用于实现机器人的快速集成 。

　　注 : 机器人功能组件包括机构类功能构件 、软件类功能组件和电气类功能组件 。

　　2.4

　　机构类功能构件 mechanism functionalcomponent;MFC

　　组成模块化机器人的机械类硬件要素 ,能完成一定功能的机械模块 ,具有标准的机械接 口 , 能实现快速连接 。

　　2.5

　　电气类功能组件 electricalfunctionalcomponent;EFC

　　组成模块化机器人的电气类硬件要素 ,能完成一定功能的电气硬件模块 ,具有标准通信接 口 。 2.6

　　软件类功能组件 software functionalcomponent;SFC

　　组成模块化机器人的软件要素 ,能完成一定功能的软件模块 ,具有标准的软件接 口 。

　　2.7

　　机器人操作系统 robotoperation system;RobOS

　　用于管理机器人系统内各种硬件和软件资源 ,合理有效地组织机器人系统工作 ,提供一个使用方便可扩展的工作环境 。

　　3 服务机器人模块化设计原则

　　3. 1 结构分离原则(软件和硬件分离原则)

　　按照机器人模块化的设计思想 ,从结构上合理划分成不同的功能组件 ,并将软件和硬件分离 ,进行

　　相对独立设计 。

　　3.2 功能分离原则(通用专用分离原则)

　　按照是否能完成独立的功能进行合理划分机器人系统 ,功能分离是基于模块或单元的所具有功能来确定的 ,可将完成一定功能的要素独立出来 。

　　3.3 复合原则

　　由于机器人功能具有可以复合的特点 ,例如一些伺服电机通常已经具有位置检测功能 ,一些机械臂执行器可以和某些探知类传感功能复合 , 因此 ,模块化机器人的功能构件(或组件) ,应具有可复合性 。复合后的功能构件(或组件) ,应具有相应的接口标准 。

　　3.4 开放原则

　　机器人系统应具有可扩展性 、互操作性 、可移植性 、可裁剪性等 。

　　3.5 标准化原则

　　机器人功能组件(RFC)遵循相应标准进行设计 、制造 ,便于其用于不同机器人系统 。

　　4 服务机器人模块化体系结构

　　4. 1 服务机器人模块化总体设计模型

　　服务机器人模块化总体设计模型为层状结构 ,如图 1 所示 。 自上而下为划分机器人模块化设计主要是针对机器人功能组件(RFC) ,应遵循结构分离原则(软件硬件分离原则)和功能分离原则(通用专用分离原则)等 。机器人功能组件(RFC)根据其特性又划分为不同粒度的 、具有标准接口的机构类功能构件(MFC) 、电气类功能组件(EFC)和软件类功能组件(SFC) 。

　　自下而上为机器人集成模型 。根据用户对机器人功能需求 ,选择或设计机构类功能构件 、电气类和软件类功能组件 ,在机器人操作系统的统一管理下 ,进行机器人系统的快速集成 。

　　图 1 服务机器人模块化总体设计模型

　　4.2 服务机器人模块化体系结构

　　服务机器人体系结构反映一个服务机器人系统各组成要素间的相互关系和功能分配 ,确定一个服务机器人系统的信息流通关系和逻辑结构 。

　　服务机器人模块化体系结构描述模块化机器人的组成要素和基本工作原理 ,描述模块化硬件组成

　　和模块化软件层级 。服务机器人模块化分层体系结构 ,如图 2所示 。

　　机器人的模块化体系结构为层次化结构模型 , 自上而下分别为 :

　　— 应用层 :通过协调组织各应用软件功能构件 ,实现满足用户需求的机器人感知 、行动 、思维 、人机交互等基本功能 ;

　　— 服务层 :用于给应用层提供一些基本的功能服务 ,如构件管理服务 、错误处理服务 、电源管理服务等 ;

　　— 软件组件层 :构成模块化机器人系统的基本软件要素 ,它们通过对特定功能的抽象在上层被实例化 ;

　　— 中间件层 :包含一个能够持续监视功能构件动态过程的中间件核心和相应的命名服务 ,建立自下而上的抽象 ,屏蔽设备层的异构性 ;

　　— 驱动层 :主要提供操作系统支持下的硬件设备驱动程序 、设备协议程序和设备服务程序等 ;

　　— 硬件构件层 :包括机构类功能构件和电气类功能组件等底层硬件 ,它们和软件功能组件具有一定的物理对应关系 。

　　图 2 服务机器人模块化分层体系结构

　　机器人模块化体系结构具有开放性 、模块化 、标准化特点 :

　　— 开放性 :采用标准接口总线 ,便于实现机构类 、电气类组件的兼容和即插即用 。通过通信总线

　　实现不同类型总线接口模块化功能组件的互通互连 。可通过增减功能组件 ,便于功能扩展 。

　　— 模块化 :机器人功能组件设计成为相对独立的能完成一定功能的独立模块 ,遵循标准接口设计 ;硬件构件遵循模块化设计和系列化设计 ,使得各构件具有可重用性 ,便于快速集成不同机器人系统 。

　　— 标准化 :机器人功能组件遵循相应的接口标准 。其中 , 机构类功能构件(MFC) 适应不同的应用需求 ,采用系列化结 构 设 计 , 具 有 标 准 机 械 接 口 ; 电 气 类 功 能 组 件(HFC) 遵 循 通 信 接 口 协议 ;软件类功能组件(SFC)符合接口标准 , 由专业机器人软件公司设计 、测试并封装而成 。

　　4.3 服务机器人模块化标准体系

　　服务机器人模块化标准体系参见附录 A。

　　5 服务机器人模块化设计流程

　　5. 1 初步确定机器人构型及功能组件划分

　　根据用户对服务机器 人 的 功 能 需 求 , 分 析 设 计 机 器 人 外 部 形 态 、合 理 划 分 机 器 人 功 能 组 件(或 构件) ;确定根据用户功能需求的服务机器人构型 , 以及集成服务机器人所需的机构类功能构件 、电气类功能组件和软件类功能组件 。

　　5.2 选择所需的功能组件或研发专用功能组件

　　从机器人功能组件库中选择所需的功能组件 ;若机器人组件库中无满足用户特定需求的功能组件 ,则设计开发相应的专用功能组件 ,所设计功能组件应符合相应的接口标准 。

　　5.3 服务机器人的虚拟集成、仿真设计和验证

　　机器人图形化仿真开发环境下 ,利用机器人组件库中具有标准接口的各类功能组件 , 以及根据用户功能需求所研发的具有标准接口的功能组件 ,建立各模块间的物理结构 、内在拓扑结构 、内在控制结构和数据交换路由 ,进行机器人系统的虚拟集成 。之后 ,进行机器人运动学和动力学的仿真分析 、优化机械结构和控制算法 ,获取服务机器人的优化设计参数数据 。

　　5.4 服务机器人集成

　　机器人集成商进行服务机器人的快速集成 ,包括硬件系统和软件系统集成和调试 。根据用户对服务机器人作业任务和工作空间等的具体要求 ,完成机构功能构件和电气功能组件的集成 ,安装机器人操作系统和相应的软件功能组件 ,集成为所需服务机器人系统 。

　　服务机器人模块化设计流程如图 3所示 。

　　图 3 服务机器人模块化设计流程

　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　服务机器人模块化标准体系

　　A. 1 服务机器人模块化标准体系组成

　　服务机器人模块化标准体系包括机器人机构类功能构件接口标准 、机器人电气类功能组件接口标准 、机器人通信总线协议 、机器人软件功能组件接口标准 、实时机器人操作系统接口标准和机器人仿真开发环境接口标准 。

　　A.2 机器人机构类功能构件接口标准

　　规定机器人机构类功能组件分类 、划分 、特征参数及机构类功能构件接口等 ,用于指导机器人模块化机构类功能组件的研究 、设计与制造 ,或用于机器人仿真开发环境中机构类功能组件三维建模设计与仿真分析 。

　　A.3 机器人电气类功能组件接口标准

　　规定机器人功能组件的电气与数据接口标准 ,便于实现机器人各功能组件间的电气与数据通信 。机器人电气类功能组件接口标准是指为保证机器人内部各模块化功能组件间基于数字信号的数据交换过程的稳定 、可靠 、数据解析而共同遵守的统一的电气规范和通信协议规范 。包括机器人控制器模块 、计算扩展模块 、数据采集扩展模块 、传感器集成模块 、执行器驱动集成模块 、人-机/机器人-机器人接 口交互模块等之间基于数字信号的数据交换过程 。

　　A.4 机器人通信总线协议

　　标准规定了模块化机器人系统中一种通信总线的数据格式和程序规范 ,适用于模块化机器人系统中不同功能模块构件之间的数据交换和信息共享 。

　　注 : 选自 GB/T 29825—2013。

　　A.5 机器人软件功能组件接口标准

　　规定采用模块化和网络化构建的任何机器人产品的软件资源的功能封装技术 ,定义了适用于机器人开发的组件模型和相应的接口规范 ,并统一各机器人功能组件间的通信协议 ,支持各种机器人系统以机器人功能组件形式集成 。开发人员可以结合来自多个供应商的机器人功能组件到一个单一的应用程序中 ,使它们能够在创建更灵活的设计时更迅速 。

　　A.6 实时机器人操作系统接口标准

　　规定机器人操作系统为机器人中间件 、设备驱动和应用程序提供统一的编程接 口 ,包括应用程序接口 、便利函数库 、外部操作接 口 ,为机器人应用软件开发与部署提供便利 , 以提高基于机器人软件功能组

　　件建立的机器人应用程序的可移植性 。

　　A.7 机器人仿真开发环境接口标准

　　规定机器人仿真开发环境中提供的功能接 口 ,包括模型构造接口 、算法开发接口 、半实物仿真接 口 、人机交互接 口 ,为机器人的功能组构件以及应用程序的开发与部署提供便利 , 以提高模块化机器人开发效率 。

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 12643—2013 机器人与机器人装备 词汇

　　[2] GB/T 29825—2013 机器人通信总线协议