模塊化自重構(gòu)機器人硬件設(shè)計和運動規(guī)劃方法的研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機器人是一種由許多功能相對獨立,并且具有一定感知能力的機械電子模塊組成的機器人,它不需要外部幫助,能夠根據(jù)變形任務(wù)和周圍環(huán)境的變化而自主地改變自身的結(jié)構(gòu)配置,以最佳構(gòu)形去完成不同的操作任務(wù),不但擴大了機器人的應(yīng)用范圍,更由于模塊的均一性和互換性降低了制造及維護成本,提高了機器人的可靠性和可擴展性.這類機器人在危險、未知和非結(jié)構(gòu)環(huán)境運行具有很大優(yōu)勢,比如空間、海洋、軍事偵察、廢墟營救、核電站維修.對于相同環(huán)境下,要求完成不同的

2、任務(wù)也非常適合,比如火星探索.開展模塊化自重構(gòu)機器人的研究對于提高我國在該領(lǐng)域的科研水平、擴展機器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論和現(xiàn)實意義. 模塊硬件原型的設(shè)計和變形策略的研究是模塊化自重構(gòu)機器人的兩個主要的研究領(lǐng)域.模塊硬件的設(shè)計決定了模塊之間的連接方式、變形規(guī)則、運動策略等各個重要方面,對于運動空間為三維的自重構(gòu)機器人而言,模塊要求具有一定的空間對稱性和規(guī)則的幾何形狀,并且具備足夠多的自由度,以提高系統(tǒng)的運動及自重構(gòu)能力,簡化

3、控制方法.為此,提出并研制了一種運動空間為三維,模塊外形類似立方體,運動方式為陣列式,每一個模塊具有12個自由度的同構(gòu)自重構(gòu)機器人.每一個模塊利用連接面上銷和孔組成的自動鎖定裝置,通過與相鄰模塊間的交流和通訊,可以獨立自主實現(xiàn)與相鄰模塊間的連接、分離.由多個相同模塊組成的M-Cubes自重構(gòu)機器人系統(tǒng).通過模塊之間的相互配合,改變它們之間的連接,形成空間任意結(jié)構(gòu).從而整個機器人系統(tǒng)可以獲得不同的三維結(jié)構(gòu)和各種靜態(tài)構(gòu)形.此外,模塊的結(jié)構(gòu)簡

4、單,制造方便,控制容易. 在自重構(gòu)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中,有很多關(guān)鍵技術(shù),比如如何保證模塊之間正確的對接、滿足什么條件,以及外界因素會對模塊運動產(chǎn)生什么樣的影響.由于兩相鄰模塊的連接處是比較薄弱的環(huán)節(jié),并且又是主要承載的地方,如果材料強度不夠,在受力變形的情況下,會出現(xiàn)模塊之間的失效連接.因此,我們根據(jù)模塊在對接過程的運動特點和受力情況,對模塊的變形情況進行了有限元分析.通過對變形結(jié)果的分析,提出了模塊可靠、有效、正確對接所遵循的條件

5、,為M-Cubes機器人系統(tǒng)能成功地完成自重構(gòu)運動提供了有效的指導(dǎo). 自重構(gòu)機器人變形過程是通過不斷改變模塊之間的連接方式實現(xiàn)的.為了簡化變形過程中運動規(guī)劃和控制算法的復(fù)雜程度,首先需要找到一種足夠簡單同時又能準確無歧義地描述系統(tǒng)的模型.本文提出一種通過局部感知信息來獲得與相鄰模塊的連接狀態(tài),利用深度優(yōu)先搜索和特征向量矩陣來確定和描述系統(tǒng)中每一個模塊的具體位置和整個系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu),給出了一種判斷兩個不同的特征向量矩陣是否為同一個

6、拓撲結(jié)構(gòu)的方法,為系統(tǒng)以最佳構(gòu)型完成變形任務(wù)提供一個有效的途徑. 自重構(gòu)機器人是由眾多模塊組成的非線性復(fù)雜系統(tǒng),非線性造成的計算復(fù)雜性,使得傳統(tǒng)的控制算法難以解決機器人的運動規(guī)劃問題.本文提出了一種由連接規(guī)劃和路徑規(guī)劃相互配合的變形運動策略.連接規(guī)劃是在對模塊進行數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上,根據(jù)路徑規(guī)劃的要求,產(chǎn)生一系列模塊連接關(guān)系的有序改變.路徑規(guī)劃是在受到周圍環(huán)境的物理條件和模塊自身的客觀條件限制的基礎(chǔ)上,選擇可靠、有效的運動軌跡,尋