模塊化自重構機器人仿生運動規(guī)劃與控制.pdf

1、模塊化機器人是由大量的具有一定運動和感知功能的基本模塊相互連接而成，能夠構成多種構型完成多種任務的復雜機器人系統(tǒng)。與傳統(tǒng)機器人相比，模塊化機器人具有模塊化、自變形和自修復等特點，同時，由多個自帶關節(jié)的模塊組合在一起的機器人系統(tǒng)具有一定的冗余度，靈活性強，使其具備了較強的運動能力，可以通過運動構型及運動模式的改變來適應不同的路面條件。然而，模塊化機器人運動的超冗余度、運動構型多樣性以及運動多模式化的特點，也使運動規(guī)劃變得更加復雜。因此，尋

2、找一種能夠將模塊化機器人多種運動構型的多種模式運動統(tǒng)一規(guī)劃，使運動模式能夠隨著機器人構型改變而自適應變化，并且能夠對外部環(huán)境反饋作出相應步態(tài)調整，以實現非結構化環(huán)境中的自主運動的控制方法對模塊化機器人的發(fā)展具有重要的研究意義。
　　模塊作為機器人的基本單元，它的結構特點對整體構型的運動方式有著較大影響。本文采用正方體結構的UBot模塊作為研究對象，模塊分別主動模塊和被動模塊，分別帶有主、被動鉤爪式連接機構，主動模塊與被動模塊可以實

3、現自動的連接/斷開，通過連接機構上的方位識別單元識別模塊間的連接狀態(tài)及方位，具有陣列式機器人模塊結構規(guī)整、連接機構靈活的特征；每個模塊具有兩個相互垂直的旋轉自由度，旋轉角度范圍為(-90°，90°)，可以實現串聯式機器人整體協(xié)調運動的功能。為了使機器人系統(tǒng)具有環(huán)境感知功能，為UBot系統(tǒng)設計了傳感模塊，傳感模塊內裝有攝像頭、紅外傳感器、線性霍爾傳感器及加速度計等傳感裝置，并具有與UBot被動模塊相同的連接機構，可以連接到運動構型中實時感

4、知外部環(huán)境。
　　借鑒生物運動神經系統(tǒng)的控制機制，建立模塊化機器人仿生網絡控制結構。針對UBot模塊雙關節(jié)間相互約束的結構特點，建立了能夠控制模塊兩個關節(jié)同時運動的雙輸出中樞模式發(fā)生器（CPG）振蕩模型，構建了雙輸出CPG調相運動控制網絡，用于模擬生物的脊髓神經控制系統(tǒng)，并引入中間神經元、感知神經元和運動神經元，形成模塊化機器人仿生運動控制網絡。
　　基于建立的仿生運動控制網絡，分別針對模塊化機器人所構成的兩類構形——無肢體

5、運動構型和有肢體運動構型制定運動規(guī)劃策略。通過模擬低等生物將低級神經中樞的自激行為直接作用到各個關節(jié)的運動控制方式，對模塊化機器人幾種典型的無肢體運動構型進行運動規(guī)劃。利用CPG調相控制器中節(jié)點連接方式對相位輸出結果的影響，在網絡節(jié)點數目不變的情況下，實現了蛇形構型蠕動、多節(jié)蟲運動、蜿蜒運動、滾動和轉彎運動的多種運動模式的統(tǒng)一規(guī)劃；并解決了十字構型的直行、轉彎運動模式，環(huán)形構型的滾動運動模式的運動規(guī)劃問題；通過模擬高等動物運動神經控制系

6、統(tǒng)的方法，針對有肢體運動構型提出了利用CPG調相控制器模擬高等動物的脊髓神經系統(tǒng)，為各個關節(jié)分別建立運動神經元的運動規(guī)劃策略，面向由髖膝踝關節(jié)組成的有肢體運動構型制訂了統(tǒng)一的運動神經元設計辦法，實現了仿生四足構型對角步態(tài)和慢走步態(tài)的統(tǒng)一規(guī)劃。
　　從拓撲構型改變與拓撲構型不變兩個方面，研究了模塊化機器人構型改變帶來的運動規(guī)劃方法協(xié)調變化問題。對于由模塊連接方式改變而產生的拓撲結構變形，考慮單鏈式構型的拓撲改變與運動規(guī)劃，歸納出開鏈

7、式結構與閉鏈式結構之間的變形條件和各自的運動特點；通過調整仿生控制網絡中的CPG節(jié)點連接方式，建立能夠同時適應開鏈式構型蠕動運動及閉鏈式構型滾動運動的規(guī)劃方法。通過環(huán)形構型與蛇形構型變形與運動模式協(xié)調改變的仿真，驗證了方法的有效性。對于模塊化機器人拓撲結構不變，而運動功能改變的變形，考慮有肢體運動構型及其衍生的無肢體蠕動構型的運動功能改變與協(xié)調運動規(guī)劃，在仿生運動控制網絡框架不變的情況下，制訂了網絡節(jié)點參數的協(xié)調改變策略。通過仿生四足構

8、型與其衍生的橫向蠕動H型、向前蠕動H型之間的變形與運動模式協(xié)調改變的仿真，表明有肢體運動構型及其衍生的蠕動構型運動功能改變與運動協(xié)調規(guī)劃方法的可行性。
　　為了實現機器人在非結構環(huán)境下的運動功能，模擬生物運動神經系統(tǒng)調控功能的三級等級結構，建立了一套包含信息采集單元、底層局部信息反射規(guī)劃器以及高層信息處理系統(tǒng)并具有環(huán)境反饋感知功能的運動控制器，使機器人根據外部環(huán)境的反饋，能夠自主地完成越障、避障、上下坡及步態(tài)變換，并能夠針對特殊環(huán)