模塊化自重構(gòu)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人是一種由許多功能相對(duì)獨(dú)立,并且具有一定感知能力的機(jī)械電子模塊組成的機(jī)器人,它不需要外部幫助,能夠根據(jù)變形任務(wù)和周?chē)h(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(kuò)大了機(jī)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(hù)成本,提高了機(jī)器人的可靠性和可擴(kuò)展性.這類(lèi)機(jī)器人在危險(xiǎn)、未知和非結(jié)構(gòu)環(huán)境運(yùn)行具有很大優(yōu)勢(shì),比如空間、海洋、軍事偵察、廢墟營(yíng)救、核電站維修.對(duì)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(kāi)展模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究對(duì)于提高我國(guó)在該領(lǐng)域的科研水平、擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義. 模塊硬件原型的設(shè)計(jì)和變形策略的研究是模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的兩個(gè)主要的研究領(lǐng)域.模塊硬件的設(shè)計(jì)決定了模塊之間的連接方式、變形規(guī)則、運(yùn)動(dòng)策略等各個(gè)重要方面,對(duì)于運(yùn)動(dòng)空間為三維的自重構(gòu)機(jī)器人而言,模塊要求具有一定的空間對(duì)稱(chēng)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(yùn)動(dòng)及自重構(gòu)能力,簡(jiǎn)化

3、控制方法.為此,提出并研制了一種運(yùn)動(dòng)空間為三維,模塊外形類(lèi)似立方體,運(yùn)動(dòng)方式為陣列式,每一個(gè)模塊具有12個(gè)自由度的同構(gòu)自重構(gòu)機(jī)器人.每一個(gè)模塊利用連接面上銷(xiāo)和孔組成的自動(dòng)鎖定裝置,通過(guò)與相鄰模塊間的交流和通訊,可以獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)與相鄰模塊間的連接、分離.由多個(gè)相同模塊組成的M-Cubes自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng).通過(guò)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(gè)機(jī)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(jiǎn)

4、單,制造方便,控制容易. 在自重構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,有很多關(guān)鍵技術(shù),比如如何保證模塊之間正確的對(duì)接、滿(mǎn)足什么條件,以及外界因素會(huì)對(duì)模塊運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度不夠,在受力變形的情況下,會(huì)出現(xiàn)模塊之間的失效連接.因此,我們根據(jù)模塊在對(duì)接過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和受力情況,對(duì)模塊的變形情況進(jìn)行了有限元分析.通過(guò)對(duì)變形結(jié)果的分析,提出了模塊可靠、有效、正確對(duì)接所遵循的條件

5、,為M-Cubes機(jī)器人系統(tǒng)能成功地完成自重構(gòu)運(yùn)動(dòng)提供了有效的指導(dǎo). 自重構(gòu)機(jī)器人變形過(guò)程是通過(guò)不斷改變模塊之間的連接方式實(shí)現(xiàn)的.為了簡(jiǎn)化變形過(guò)程中運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單同時(shí)又能準(zhǔn)確無(wú)歧義地描述系統(tǒng)的模型.本文提出一種通過(guò)局部感知信息來(lái)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(lái)確定和描述系統(tǒng)中每一個(gè)模塊的具體位置和整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),給出了一種判斷兩個(gè)不同的特征向量矩陣是否為同一個(gè)

6、拓?fù)浣Y(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(gè)有效的途徑. 自重構(gòu)機(jī)器人是由眾多模塊組成的非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng),非線(xiàn)性造成的計(jì)算復(fù)雜性,使得傳統(tǒng)的控制算法難以解決機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)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(yùn)動(dòng)策略.連接規(guī)劃是在對(duì)模塊進(jìn)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?chē)h(huán)境的物理?xiàng)l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(yùn)動(dòng)軌跡,尋