自重構機器人關鍵技術研究.pdf

1、模塊化自重構機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、可自動重組特性和一定的感知、計算能力，機器人利用模塊的感知能力感知周圍環(huán)境，通過改變模塊間相對位置與相互連接關系來改變自身構形以適應周圍環(huán)境，擴展運動形式，完成多種任務。模塊化自重構機器人與傳統(tǒng)機器人相比，具有模塊化、自重構、自修復、豐富的運動形式、高可靠性與良好的經(jīng)濟性等特點，適用于環(huán)境復雜、任務復雜的場合，如太空探險、救災救援、空間結構構建等場合，也可以用于教

2、育機器人、服務機器人等領域。由于其具有優(yōu)良的特性與廣闊的應用前景，正引起越來越多的國家及研究機構的重視。及時開展模塊化自重構機器人關鍵技術的研究，對于提高我國在自重構機器人領域的科研水平，擴展機器人應用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實意義。
　　模塊結構特性對于自重構機器人的整體性能有重要影響。模塊的自由度、幾何形狀、連接機構、負載自重比等特性直接影響著機器人的重構能力、運動能力、負載能力。通過對現(xiàn)有自重構機器人模塊自由度與幾何形狀的分

3、析，提出了新型單轉(zhuǎn)動自由度立方體模塊，該模塊組成的機器人兼具陣列式機器人穩(wěn)定的空間結構特性與串聯(lián)式機器人靈活的運動特性。通過對現(xiàn)有連接機構原理、特點綜合對比分析，提出了一種旋轉(zhuǎn)鉤子機械結構與磁鐵相結合的平面連接機構，該連接機構具有結構緊湊、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，提高了機器人的重構和運動時的可靠性，減小了模塊質(zhì)量，提高了模塊負載自重比。模塊自帶電源，采用無線通信，徹底解決了重構過程中模塊間線

4、纜纏繞問題。
　　在研制的自重構機器人模塊基礎上，研究了基于拓撲構形改變的自重構機器人面向移動任務的重構策略。采用相對方位矩陣對模塊及其周圍環(huán)境進行描述，建立了模塊的可避障運動規(guī)則庫，使用基于拓撲構形改變的宏動作減小搜索空間，提高了規(guī)劃效率，解決了少量模塊穿越復雜環(huán)境完成移動任務的重構規(guī)劃問題，并在此基礎上進一步研究了基于動態(tài)子單元的三層規(guī)劃策略，通過對機器人進行動態(tài)子單元劃分與模塊在重構過程中的功能指定，將搜索空間與子單元個數(shù)間

5、關系由指數(shù)關系變成線性關系，提高了規(guī)劃效率，解決了較大規(guī)模的機器人構形的重構規(guī)劃問題。通過仿真實驗對提出的重構規(guī)劃策略進行了驗證，證明了重構規(guī)劃策略的有效性與可行性。
　　自重構機器人的另一個顯著特點是具有豐富的運動形式，通過對自重構機器人典型構形的模塊方位組成特點、運動控制規(guī)律進行分析，建立了典型構形的標準構形，使用相對方位系數(shù)與標準步態(tài)表的方法解決了自重構機器人構形中模塊地址可變、數(shù)目可變、方向可變的整體協(xié)調(diào)運動控制難題。