机器人创业项目实施计划书.docx
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机器人创业项目实施计划书
第一局部概述
一、创业工程概述
创业工程概述〔500字之〕：
对工程总体情况的描述，包括采用的关键技术、技术的创新点、权威部门的技术鉴定情况、环保评价等容。
工程名称：
可重构模块化机器人的研发，制造与销售
本工程的目标是设计并研发可重构模块化机器人，研发成功后进展批量的制造与销售，并推向市场。
可重构模块化机器人是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成,能够被装配成各种不同构形的机器人,以适应不同的工作，可重构模块化机器人系统的适应性和可重构性取决于模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力。
因此本工程研发的可重构机器人的关键技术包括构型设计、运动学、动力学、路径规划、轨迹规划及分布式控制系统等方面,其中在模块与构型方面进展了详细的设计，采用层次分析法对构型设计方案进展评价和决策。
设计可重构机器人系统的路径和轨迹规划时，引入可视邻点的概念，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，实现多关节机器人在复杂环境下的无碰撞路径规划。
对可重构机器人的分布式控制系统进展设计时，将整个控制系统分为路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层，相对于传统的机器人可以更有效实现各关节的协调运动。
综合利用以上技术本工程设计的可重构机器人灵活度更高、环境适应能力更强，本钱更低，先进性也更强，市场应用前景广阔。
二、创业时机概述
创业时机概述〔300字之〕：
要从工程产品的先进性及应用开展前景、进入市场时机〔如：
市场现实需求处于萌芽、起步、成长、成熟、饱和、衰退阶段〕及市场开展空间、团队实施工程的现有能力和开展潜力等方面描述创业时机。
传统的机器人都是根据特定的应用围来开发,对于任务明确的工业应用来讲,这种机器人已经足够满足实际需要。
然而由于市场全球化的竟争,机器人的应用围要求越来越广,机器人的柔性不能满足市场变化的要求,解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统,可重构模块机器人具有灵活度高、环境适应能力强以及本钱低等特点,在工业装配、军事、灾难救援、深空探测等领域具有广泛的应用前景。
因此本工程开发研制的可重构机器人系统先进性比拟强，由于市场正处于一个起步阶段并且未来市场需求量会很大，所有研制成功后占据市场的时机也比拟大；另外工程实施团队成员经历丰富，根底力量雄厚，能够担负起开发可重构机器人系统的重任。
综上，本工程的创业时机比拟大，市场前景较为广阔。
第二局部创业团队
一、申报人
申报人介绍〔300字之〕：
介绍申报人的创新意识、开拓能力、经营理念以及在科技、经济、管理领域取得的主要业绩。
申报人耿涛，于2011年6月在华中科技大学获得控制科学与工程工学博士学位，博士毕业后在大学任教至今，现任大学物理与电子学院副教授，主要研究方向是控制系统理论与应用，长期致力于先进控制理论与应用、船舶操纵控制等方面的研究工作，主持并参与了多个系统研发工程，工程工作经历丰富。
无论是在科研还是在教学方面都受到了教师和同学们的一致好评。
近5年来，凭借其超强的创新意识和开拓能力，取得了一系列研究成果，并转化到了相关科技领域中，以第一作者在?
华中科技大学学报〔自然版〕?
，?
InformationTechnologyJournal?
等杂志发表8篇学术论文，其中6篇EI检索，是?
AsianJournalofControl?
，CCDC等多家期刊与会议的论文评阅人。
二、创业团队其他成员
团队其他成员介绍〔1000字之〕：
核心团队包括拟任总经理、分管技术、市场、财务等方面的副总经理和同类职务的人员，介绍每一成员的受教育背景、能力与专长、工作业绩等。
三、团队创业能力
开发能力〔200字之〕：
介绍团队的研发队伍和资金投入以及工程已取得的研究开发成果。
创业团队核心成员均拥有较强的教育和学术背景，同时具有在机器人领域的工程经历。
他们有着长期从事与本工程相关研究工作。
这些团队核心成员不但是技术上的领军人物，同时也是拟定企业的开展战略的制定者和执行者，他们所具有的国际视野为拟定企业的开展树立了一个高起点，并且奠定了其在国际竞争中“敢为人先〞的勇气和意识，对“可重构模块化机器人〞工程的顺利实施与实现提供了坚实的根底。
工程的资金投入大约为1000万元。
营销能力〔200字之〕：
介绍团队的经营模式和市场筹划能力、销售渠道等。
瞄准国市场需求量大、进口机器人产品还未大规模应用的领域，如：
医疗以及危险作业等领域。
建立以营销经理为中心的专门营销机构和营销队伍，充分利用工程申请人及其团队的人脉，打通营销渠道和建立起营销网络。
同时，通过提供本产品相关的技术效劳与售后效劳，来推行并推广本产品的使用。
融资能力〔200字之〕：
介绍团队的融资筹划能力、融资渠道等。
工程团队根据实际情况可以采用多种融资方式与融资渠道，包括债权融资、股权融资、优先股融资、租赁融资等方式。
此外，工程负责人可以根据工程申请国家以及当地政府的创业基金等，还可以采用风险投资，民间投资等方式进展融资。
其他特殊能力〔100字之〕：
介绍创业工程已获得的特殊资格认证或证明等。
四、家港拟办企业情况
企业名称
企业注册时间
企业注册地
申报人担任企业法定代表人
□是□否
团队人数
博士
硕士
本科
企业性质
□资外资□中外合资
注册资本
万元
股东构成
容
货币出资
无形资产作价
有形资产作价
股权比例
申报人
团队其他成员
风险投资
其他资金
合计
申报人不担任或未担任企业法定代表人的相关说明：
说明申报人不担任或未担任企业法定代表人的原因，介绍拟任企业法人代表的身份信息以及与其关系。
第三局部工程技术与产品〔效劳〕实现
第一章工程技术方案
一、工程总体技术概述
〔一〕总体技术方案
工程所依据的技术原理〔1000字之〕：
1.可重构机器人的模块与构型设计原理
可重构模块化机器人系统由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配构造的模块以搭积木的方式构成，能构成不同自由度和构型的机器人系统，适应不同的任务需求，模块系统设计和基于模块的构型设计是到达这一目标的关键。
可重构机器人系统的特点是一套构件，多种构型，在应用中，用户需要进展二次设计，即根据工作条件和设计要求，确定系统总体方案的主参数和各模块的性能参数，选用模块并进展装配，完成基于模块的系统设计，重构成一个完整的，满足应用要求的机器人系统，这一过程就是构型设计。
2.可重构机器人的运动学原理
可重构模块化机器人系统构型的多样性，要求其运动学分析方法具有一定的通用性。
采用运动螺旋表示，串联机器人运动学正解可表示为形式简洁统一的指
数积形式，系统的运动学正解得到很好地解决。
基于旋量和指数积公式，在运动学正解的指数积公式的根底上可以构造运动学封闭形式逆解的几何方法，即将整个运动学逆解问题分解成假设干可解的子问题，子问题具有明确的几何意义和可重用性。
采用指数积公式进展运动学分析的另一个优点是易于对运动学方程进展
微分以得到雅可比矩阵。
雅可比矩阵将关节速度映射到末端执行器的速度，可
以分析机器人的奇异性和可操作性。
由于并不是所有的构型都有封闭解，如冗
余机器人或封闭解不存在的非冗余机器人，数值方法在可重构机器人的运动学
逆解求解也得到广泛研究。
3.可重构机器人的动力学原理
由于可重构机器人构型的多样性，其动力学的分析和计算对可重构机器人模块的选择、构型的设计和校验、运动仿真、控制系统的分析与综合都有重要的作用。
描述机器人动力学特性的参数表示和运动方程式有各种形式，这些方程本质上是“等价〞的，但它们是对应于不同任务和目的而建立的，因此方程的构造不同。
基于Denavit-Hartenberg（D—H）参数表示的动力学拉格朗日方程和迭代方式的牛顿—欧拉方法得到很好的解决。
在基于运动螺旋与力螺旋表示的拉格朗日方程的根底上，将可重构机器人动力学计算的算法描述如下：
（1）建立根底坐标系，确定各关节的运动旋量坐标，由pro/E软件获得各
杆件的质量分布参数，在每一杆件的质心处建立一个坐标系，坐标轴统一取为与根底坐标系一致，并由指数积公式确定各杆件质心的初始位姿矩阵。
（2）计算惯性矩阵，根据惯性矩阵计算哥氏矩阵。
由指数积公式计算在给定关节变量，最后计算拉格朗日公式中的i∂V，∂θ项。
（3）将作用在末端执行器上的外力/力矩经坐标变换统一转换到空间坐标系或物体坐标系，再经雅可比矩阵折算到各关节的驱动力矩。
（4）由拉格朗日方程计算对应于给定关节运动规律所对应的关节力矩。
4.可重构机器人的路径规划原理
机器人的路径（path）是指一组有序的位姿集合，路径规划是确定使机器人
末端执行器按要求从初始点运动到目标点的一系列中间点。
考虑一般情况，讨
论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题。
通过引
入可视邻点的概念，提出一种建立数值人工势场的新算法，解决在复杂环境下
机器人路径规划的两个难点，即如何评价当前末端执行器绕过障碍物到达目标
点的距离信息，以及如何确定当前末端执行器的运动方向。
然后，在遗传算法
中结合数值人工势场提供的特征信息进展机器人在关节空间的分段路径规划，
以防止搜索的盲目性，提高算法的搜索能力。
主要技术与性能指标〔500字之〕：
1.模块与构型设计技术
可重构机器人系统的特点是一套构件，多种构型，在应用中，用户需要进展二次设计，即根据工作条件和设计要求确定机器人的构型。
在智能设计系统开发工具DEST上开发构型设计系统，以人机交互方式实现构型的设计。
采用层次分析法对构型设计方案进展评价和决策。
将设计的模块分为关节模块、连杆模块、末端执行器模块和根底单元模块（辅助模块），其中关节模块又分为三种形式：
单自由度转动关节、移动关节和多自由度腕关节。
2.路径规划设计
通过引入可视邻点的概念，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，然后结合这些特征信息，采用遗传算法进展在关节空间的分段路径规划方法；轨迹规划可以在笛卡尔空间进展，也可以在关节空间进展。
由于路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的，而关节驱动是在关节坐标中受控制的，因此规划的轨迹应满足在两个不同坐标系的混合约束。
3.分布式系统设计
整个控制系统由路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层组成。
对各关节进展了相关的硬件、软件设计，采用带Anti-windup校正的PID控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于RS485的Modbus协议实现通信，以实现各关节的协调运动。
〔二〕工程创新容
创新类别
□理论创新□应用创新□技术创新□工艺创新□构造创新
工程创新容〔1200字之〕：
创新容要根据选择的创新类别，用技术语言按创新点分条目描述，尽可能多用实验数据，要有数据分析、比照。
如果是技术创新，请说明目前一般采用什么技术，申报工程对什么技术进展了创新，；如果是构造创新、工艺创新，需进展新旧构造或工艺比照，并画出新旧构造图和工艺流程图。
本工程的创新点主要有以下几个方面：
1．对可重构机器人系统的模块与构型进展设计时，在分析机器人一般构造的根底上，对机器人的模块划分进展合理的方案设计，在机械构造设计方面，可重构机器人的电机驱动和传动局部只能在关节处，而不能象传统机器人可布置在关节及相邻的连杆处，因此需要简凑、高效的驱动和传动机构设计。
为减少末端质量，采用2-DOF或3-DOF集成的紧凑腕关节模块设计；为了重构的方便，将关节模块和夹持器模块设计成智能机电接口形式，具有通信、控制、伺服驱动、传动、感知等功能，模块本身成为一个自治性的单元。
在智能设计系统开发工具DEST上开发构型设计系统，以人机交互方式实现构型的设计。
采用层次分析法对构型设计方案进展评价和决策。
2.对可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划进展设计时，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，然后结合这些特征信息，采用遗传算法进展在关节空间的分段路径规划方法；轨迹规划可以在笛卡尔空间进展，也可以在关节空间进展。
由于路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的，而关节驱动是在关节坐标中受控制的，因此规划的轨迹应满足在两个不同坐标系的混合约束。
讨论机器人一般平面曲线的轨迹规划方法，解决的问题包括：
笛卡尔空间中控制节点的选取，节点间运动时间的分配，以及规划轨迹与要求轨迹的位置偏差和姿态偏差的估计方法；关节空间中三次样条函数插值以及满足关节速度、加速度及力矩约束的方法。
实现多关节机器人在复杂环境下的无碰撞路径规划；进展机器人的一般平面曲线轨迹规划。
3.对可重构机器人的分布式控制系统进展设计时，将整个控制系统分为路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层。
对各关节进展了相关的硬件、软件设计，采用带Anti-windup校正的PID控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于RS485的Modbus协议实现通信，以实现各关节的协调运动。
〔三〕与工程相关的知识产权情况
权利人相关说明：
申报人或团队使用单位知识产权〔申报人为非权利人〕的，要逐一说明是否得到了权利人的许可使用〔提供许可证明文件为有效〕、是否存在股权关系、合作关系等。
二、工程技术开发可行性
〔一〕工程技术开展现状
国外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析〔1200字之〕：
国外对可重构机器人系统已经进展了大量的研究,目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机器人系统主要有两类:
一类是动态可重构机器人系统,另一类是静态可重构机器人系统。
动态可重构机器人系统有:
Pamecha和Chirikjian的构形变化机器人系统（MetamorphicRoboticSystem）,它是由一套独立的机电模块组成的,每个模块都有连接.脱开及越过相邻模块的功能,每个模块没有动力,但允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块,构形改变是通过每个模块在相邻模块上的移动来实现的,这种系统具有动态自重构的能力。
Kotay等人提出了分子（Molecule）的概念,自重构机器人的模块称为分子,分子是建立自重构机器人的根底,分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三维构造,是一种动态的自重构系统。
Yim研究了一种动态可重构移动机器人,不用轮子和履带,而是通过称为多边形杆构造的模块从尾部移到前端,实现重心移动,即机器人的移动,并能通过不同的构形适应不同的环境。
Murata等人提出了一种三维自重构构造,其模块为一种齐次构造且仅一种模块,通过一个模块在另一个模块上的运动来动态的组成各种构造.静态可重构机器人系统有:
Benhabib的模块化机器人,提出了基于遥驱动技术的模块机器人单元,驱动方式类似于传统的工业机器人,认为驱动局部太重,影响模块机器人的能力,虽然采用该驱动方式使模块化机器人柔性降低,但易实现,是一个折衷的方案。
Paredis,Brown和Khosla的可重构模块化机器人系统（RMMS）,它利用一套可交换的不同尺寸和特性的连杆和关节模块,通过组成这些通用模块,能够装配出各种专用的机器人,这种系统特别适用于可重构,并且考虑了软件可重构。
Chen等人的模块化可重构机器人,设计了模块库,并研究了构形的设计及运动学和动力学的分析方法。
Han等人的模块化机器人机械臂,对模块的机械设计方面开发了一套软件来实现构形的设计。
Hui等人提出了一种IRIS装置,它是一种模块化.可重构和可扩展的机器人系统,该装置具有2台42dof转动关节机器人,每台机器人均可重构成各种构形,每个关节由DC电机谐波减速驱动,并装有位置.力矩传感器,它的软件也和硬件一样设计成模块化的、可扩展的和可重构的。
Fujita等人开发了一个可重构机器人平台,它是基于Sony公司开发的OPEN2R标准来建立各种软、硬件模块,通过模块组成各种不同的机器人构造,该平台主要用于玩具娱乐业.Matsumaru提出了TOMMS系统（ToshibaModularManipulatorSystem）,它是由关节模块.连杆模块和有操纵杆的控制单元组成的,通过人工能够构成各种构形的机器人,其运动学是在构形确定的情况下进展的。
Habibi等人研究了可重构液压驱开工业机器人的设计问题.AMTEC公司生产的POWERCUBE产品是模块化的机器人,目的是以各种特定的机器人满足各种生产需要。
国对于可重构机器人的探索起步较晚，还处于初级阶段。
中科院自动化所的于洋对国可重构机器人的开展进展了战略前瞻；复旦大学的聂爱英依托泛函分析理论，构建了静力学和动力学运动方程，并利用遗传算法进展了
模拟推演。
某大学的王琦开发出基于模糊控制的可重构机器人拓扑构造模型。
清华大学，航空航天大学，理工大学，工业大学和中国科技人学也在进展相关容的研究，成果颇丰。
〔二〕工程主要研究容
工程研究开发容及涉及的关键技术及技术指标描述〔1500字之〕：
逐条阐述工程研究开发的主要容及涉及的关键技术及技术指标。
（1）可重构机器人系统的模块设计与构型设计
可重构模块化机器人系统的适应性和可重构性取决于模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力。
在分析机器人一般构造的根底上，对机器人的模块划分进展合理的方案设计；为了重构的方便，将关节模块和夹持器模块设计成智能机电接口形式，具有通信、控制、伺服驱动、传动、感知等功能，模块本身成为一个自治性的单元。
在此根底上设计供实验研究的模块系统。
可重构机器人系统的特点是一套构件，多种构型，在应用中，用户需要进展二次设计，即根据工作条件和设计要求确定机器人的构型。
在智能设计系统开发工具DEST上开发构型设计系统，以人机交互方式实现构型的设计。
采用层次分析法对构型设计方案进展评价和决策。
（2）可重构机器人系统的运动学分析
由于可重构机器人构型的多样性，研究其运动学逆解的通用计算方法是应用中的关键问题。
采用运动旋量和指数积公式建立可重构机器人的运动学模型，系统地分析指数积公式的化简方法、子问题的分类和计算方法，为可重构机器人封闭形式的运动学逆解提供一种通用的、可分解的计算方法，以降低求解的复杂性；由于并非所有的构型都有封闭解，如冗余机器人或封闭解不存在的非冗余机器人，基于雅可比矩阵的数值迭代法计算运动学逆解为此提供了一种通用的方法。
可重构机器人的自由度和工作空间可以灵活定制，工作空间的自动计算是设计和校核中的一个重要问题。
讨论采用降维搜索和二分法计算工作空间的边界点，以及采用双向链表确定工作空间多连域截面封闭曲线的算法，以方便地确定工作空间的各个截面的形状、面积以及整个工作空间的形状、体积，使算法具有良好的通用性。
（3）可重构机器人系统的动力学分析
可重构机器人的动力学分析和计算对可重构机器人的模块选择、构型设计和校验、运动仿真、控制系统的分析与综合都有重要的作用。
在运动螺旋与力螺旋的根底上，讨论采用拉格朗日方程对可重构机器人进展动力学分析的方法。
将运动螺旋表示的指数积公式、雅可比矩阵，以及力螺旋及其变换应用到动力学的拉格朗日方程中，以得到封闭显式的拉格朗日方程，使可重构机器人系统的动力学计算形式简洁，易于程序化实现；便于进展控制系统的分析与综合，适应可重构机器人构型多变的特点。
（4）可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划
路径规划是确定使机器人末端执行器按要求从初始点运动到目标点的一系列中间点。
考虑一般情况，讨论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的的路径规划问题。
通过引入可视邻点的概念，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，然后结合这些特征信息，采用遗传算法进展在关节空间的分段路径规划方法；轨迹规划可以在笛卡尔空间进展，也可以在关节空间进展。
由于路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的，而关节驱动是在关节坐标中受控制的，因此规划的轨迹应满足在两个不同坐标系的混合约束。
讨论机器人一般平面曲线的轨迹规划方法，解决的问题包括：
笛卡尔空间中控制节点的选取，节点间运动时间的分配，以及规划轨迹与要求轨迹的位置偏差和姿态偏差的估计方法；关节空间中三次样条函数插值以及满足关节速度、加速度及力矩约束的方法。
（5）可重构机器人的分布式控制系统
由于可重构机器人的关节设计成智能关节，以及其自由度、构型的多样性，控制系统采用分布式控制系统。
整个控制系统由路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层组成。
对各关节进展了相关的硬件、软件设计，采用带Anti-windup校正的PID控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于RS485的Modbus协议实现通信，以实现各关节的协调运动。
〔三〕工程技术路线描述
工程技术路线描述〔1200字之〕：
包括技术原理图、工艺流程图、产品构造图、框架图等。
第一步是对可重构机器人系统的模块设计与构型设计。
模块化设计可提高系统的柔性，可扩展性、可维护性和可交换性，在机器人设计中受到广泛重视。
可重构模块化机器人系统由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配构造的模块以搭积木的方式构成，能构成不同自由度和构型的机器人系统，适应不同的任务需求，模块系统设计和基于模块的构型设计是到达这一目标的关键。
将设计的模块分为关节模块、连杆模块、末端执行器模块和根底单元模块（辅助模块），其中关节模块又分为三种形式：
单自由度转动关节、移动关节和多自由度腕关节。
为了重构的方便，关节模块和夹持器设计成智能机电接口形式，具有通信、控制、伺服驱动、传动、感知等功能。
构型设计是一种非构造化的设计问题，即难以用数学模型来描述，难以用数值方法来求解。
要实现这一类问题的求解，适合采用人工智能来完成符号知识的建模和处理。
本工程在智能设计系统开发工具DEST上开发可重构模块化机器人构型设计系统。
构型设计系统可以协助设计者进展构型的分析、选择、评价和决策，结合计算机的信息的存储、检索和计算能力，以及设计者的分析、判断、经历、直觉和抽象思维能力，以人机交互方式实现构型的设计。
第二步是设计可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划
机器人的路径是指一组有序的位姿集合，路径规划是确定使机器人末端执行器按要求从初始点运动到目标点的一系列中间点。
考虑一般情况，讨论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题。
通过引入可视邻点的概念，提出一种建立数值人工势场的新算法，解决在复杂环境下机器人路径规划的两个难点，即如何评价当前末端执行器绕过障碍物到达目标点的距离信息，以及如何确定当前末端执行器的运动方向。
然后，在遗传算法中结合数值人工势场提供的特征信息进展机器人在关节空间的分段路径规划，以防止搜索的盲目性，提高算法的搜索能力。
第三步是设计可重构机器人系统的分布式控制系统
由于可重构机器人的关节设计成智能关节，以及其自由度、构型的多样性，控制系统应采用分布式控制系统。
整个控制系统由三个子控制层组成。
第一层为路径规划控制层，实现作业过程规划和指定路径；第二层为轨迹规划层，规划各关节的时基关节变量，产生各关节的运动指令，通过RS-485网络，采用Modbus协议，分发给各关节控制器；第三层为关节控制层，接收上位机的指令，完成各关节的运动控制。
各关节控制器进展关节的运动控制，节点管理并向上位机发送关节运行状态信息。
〔四〕工程技术实现依据
设计思想依据〔200字之〕：
包括文献，或专利，或创造等。
[1]王卫忠，可重构模块化机器人系统关键技术研究，工业大学博士学位论文，2007.
[2]新安，王洪光，勇，正，高文斌.一种模块化可重构机器人系统的研制.智能系统学报,2013,8（4）:
292-298.
[3]王春燕,利明,军.可重构模块化机器人平台设计.设计与研发,2015年〔03〕.
[4]周冬冬,王国栋,肖聚亮,
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