自重構(gòu)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人由許多具有一定智能的模塊相互連接組成，其模塊具有互換性、可自動(dòng)重組特性和一定的感知、計(jì)算能力，機(jī)器人利用模塊的感知能力感知周圍環(huán)境，通過(guò)改變模塊間相對(duì)位置與相互連接關(guān)系來(lái)改變自身構(gòu)形以適應(yīng)周圍環(huán)境，擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)形式，完成多種任務(wù)。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，具有模塊化、自重構(gòu)、自修復(fù)、豐富的運(yùn)動(dòng)形式、高可靠性與良好的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，適用于環(huán)境復(fù)雜、任務(wù)復(fù)雜的場(chǎng)合，如太空探險(xiǎn)、救災(zāi)救援、空間結(jié)構(gòu)構(gòu)建等場(chǎng)合，也可以用于教

2、育機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。由于其具有優(yōu)良的特性與廣闊的應(yīng)用前景，正引起越來(lái)越多的國(guó)家及研究機(jī)構(gòu)的重視。及時(shí)開展模塊化自重構(gòu)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)于提高我國(guó)在自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域的科研水平，擴(kuò)展機(jī)器人應(yīng)用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。
　　模塊結(jié)構(gòu)特性對(duì)于自重構(gòu)機(jī)器人的整體性能有重要影響。模塊的自由度、幾何形狀、連接機(jī)構(gòu)、負(fù)載自重比等特性直接影響著機(jī)器人的重構(gòu)能力、運(yùn)動(dòng)能力、負(fù)載能力。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有自重構(gòu)機(jī)器人模塊自由度與幾何形狀的分

3、析，提出了新型單轉(zhuǎn)動(dòng)自由度立方體模塊，該模塊組成的機(jī)器人兼具陣列式機(jī)器人穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)特性與串聯(lián)式機(jī)器人靈活的運(yùn)動(dòng)特性。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有連接機(jī)構(gòu)原理、特點(diǎn)綜合對(duì)比分析，提出了一種旋轉(zhuǎn)鉤子機(jī)械結(jié)構(gòu)與磁鐵相結(jié)合的平面連接機(jī)構(gòu)，該連接機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、連接可靠、分離容易且不需額外的空間，維持連接或斷開狀態(tài)不需能量等特點(diǎn)，提高了機(jī)器人的重構(gòu)和運(yùn)動(dòng)時(shí)的可靠性，減小了模塊質(zhì)量，提高了模塊負(fù)載自重比。模塊自帶電源，采用無(wú)線通信，徹底解決了重構(gòu)過(guò)程中模塊間線

4、纜纏繞問(wèn)題。
　　在研制的自重構(gòu)機(jī)器人模塊基礎(chǔ)上，研究了基于拓?fù)錁?gòu)形改變的自重構(gòu)機(jī)器人面向移動(dòng)任務(wù)的重構(gòu)策略。采用相對(duì)方位矩陣對(duì)模塊及其周圍環(huán)境進(jìn)行描述，建立了模塊的可避障運(yùn)動(dòng)規(guī)則庫(kù)，使用基于拓?fù)錁?gòu)形改變的宏動(dòng)作減小搜索空間，提高了規(guī)劃效率，解決了少量模塊穿越復(fù)雜環(huán)境完成移動(dòng)任務(wù)的重構(gòu)規(guī)劃問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了基于動(dòng)態(tài)子單元的三層規(guī)劃策略，通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)子單元?jiǎng)澐峙c模塊在重構(gòu)過(guò)程中的功能指定，將搜索空間與子單元個(gè)數(shù)間

5、關(guān)系由指數(shù)關(guān)系變成線性關(guān)系，提高了規(guī)劃效率，解決了較大規(guī)模的機(jī)器人構(gòu)形的重構(gòu)規(guī)劃問(wèn)題。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的重構(gòu)規(guī)劃策略進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了重構(gòu)規(guī)劃策略的有效性與可行性。
　　自重構(gòu)機(jī)器人的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有豐富的運(yùn)動(dòng)形式，通過(guò)對(duì)自重構(gòu)機(jī)器人典型構(gòu)形的模塊方位組成特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律進(jìn)行分析，建立了典型構(gòu)形的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)形，使用相對(duì)方位系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)表的方法解決了自重構(gòu)機(jī)器人構(gòu)形中模塊地址可變、數(shù)目可變、方向可變的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制難題。