基于萬(wàn)向式關(guān)節(jié)模塊的自重構(gòu)機(jī)器人研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人由許多具有一定運(yùn)動(dòng)和感知能力的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，且每個(gè)模塊具有與相鄰模塊連接/分離和通訊能力。通常單個(gè)模塊的自由度都比較單一，但多個(gè)模塊組合在一起功能將大大增強(qiáng)，可以通過(guò)改變模塊間的連接位置、方位關(guān)系實(shí)現(xiàn)構(gòu)型變換以適應(yīng)環(huán)境和任務(wù)需求。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、自變形、自復(fù)制、自修復(fù)等特點(diǎn)，具有更豐富的運(yùn)動(dòng)形式，在無(wú)人參與的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)具有突出的優(yōu)勢(shì)，特別適用于工作環(huán)境變化大、操作任務(wù)復(fù)雜的場(chǎng)合，在

2、空間操作、搶險(xiǎn)搜救、反恐偵察、核電站維護(hù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。自重構(gòu)機(jī)器人因其較強(qiáng)的變形能力和環(huán)境適應(yīng)性，吸引了國(guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)的研究人員對(duì)其進(jìn)行研究，因此及時(shí)開(kāi)展自重構(gòu)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究，對(duì)于提升我國(guó)在自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域的科研水平，早日將自重構(gòu)機(jī)器人應(yīng)用于搶險(xiǎn)搜救以及空間操作領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。
　　模塊是自重構(gòu)機(jī)器人的最小組成單元，模塊的功能直接決定所組成的機(jī)器人的重構(gòu)能力、運(yùn)動(dòng)能力，進(jìn)而影響機(jī)器人所采用的控

3、制系統(tǒng)、重構(gòu)算法以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的復(fù)雜性。本文從自重構(gòu)機(jī)器人的特點(diǎn)出發(fā)，提出新型模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過(guò)分析對(duì)比采用不同自由度配置的模塊的功能，確定新型模塊的外形及自由度搭配方案，提出并研制了一種新型基于雙轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的萬(wàn)向式模塊化自重構(gòu)機(jī)器人 UBot系統(tǒng)，兼具陣列式和串聯(lián)式自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，模塊采用正立方體幾何外形，由兩個(gè) L形構(gòu)件與中間一個(gè)直角軸連接而成，具有兩個(gè)垂直相交于模塊幾何中心的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和四個(gè)連接面，單個(gè)自由度最大運(yùn)動(dòng)范圍為-9

4、0°~+90°；研制了一種主、被動(dòng)相結(jié)合的鉤爪式連接機(jī)構(gòu)，采用微型直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)動(dòng)作迅速、可靠，連接后具有自鎖功能，節(jié)省能量；同時(shí)在主、被動(dòng)連接面上均布了極性相反的永磁鐵為快速連接實(shí)現(xiàn)了連接預(yù)定位，提高了連接效率。所有模塊自帶電源，采用無(wú)線通訊模式，從直角軸的中心孔穿線，避免了兩個(gè)構(gòu)件之間線纜的纏繞，連接機(jī)構(gòu)與模塊基體間采用全觸點(diǎn)連接方式，有利于模塊的維護(hù)。
　　通過(guò)對(duì) UBot系統(tǒng)模塊特性進(jìn)行深入分析，提出了一種基于關(guān)

5、聯(lián)矩陣的機(jī)器人拓?fù)涿枋龇椒?，?shí)現(xiàn)了模塊連接和方位關(guān)系、關(guān)節(jié)角度狀態(tài)等信息的綜合描述；并提出了一種基于nauty算法的自動(dòng)構(gòu)型匹配方法，通過(guò)對(duì)鄰接矩陣的同構(gòu)計(jì)算和連接方位矩陣的比較，實(shí)現(xiàn)了新構(gòu)型和數(shù)據(jù)庫(kù)已知構(gòu)型的自動(dòng)匹配，生成已知構(gòu)型到新構(gòu)型的映射，從而將所有可能的運(yùn)動(dòng)步態(tài)映射到新構(gòu)型。
　　分析了 UBot模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)重構(gòu)過(guò)程中的限制條件，設(shè)定了重構(gòu)的假設(shè)條件；根據(jù) UBot模塊特點(diǎn)，提出了一條固定構(gòu)型間是否可重構(gòu)變換的

6、必要性判據(jù)，有效的剔除了一部分互相不具有可變性的構(gòu)型，避免無(wú)意義的變形運(yùn)算，該判據(jù)同樣適用于其它僅具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的正立方體模塊組成的自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。針對(duì)固定構(gòu)型間的重構(gòu)問(wèn)題，提出了一種以構(gòu)型相似度作為搜索驅(qū)動(dòng)函數(shù)的變形規(guī)劃方法，可以在合理的時(shí)間內(nèi)找到一條動(dòng)作步數(shù)相對(duì)較少的重構(gòu)路徑，并針對(duì)四足構(gòu)型到蠕蟲(chóng)構(gòu)型的重構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，表明固定構(gòu)型的重構(gòu)規(guī)劃方法合理可行。
　　針對(duì) UBot自重構(gòu)機(jī)器人幾種典型拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究，

7、對(duì)全方位十字構(gòu)型分別進(jìn)行了直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靜態(tài)步態(tài)規(guī)劃；提出了基于浮動(dòng)平行四連桿模型的環(huán)形構(gòu)型運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略，并將靜態(tài)滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃擴(kuò)展應(yīng)用到一般通用環(huán)形構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，同時(shí)進(jìn)行了環(huán)形構(gòu)型的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并通過(guò)仿真優(yōu)化確定了動(dòng)態(tài)滾動(dòng)中環(huán)形角與變形速度的最優(yōu)搭配；進(jìn)行了模塊化四足構(gòu)型的直線連續(xù)爬行步態(tài)和原地轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了步態(tài)規(guī)劃的正確性；最后給出了任意模塊數(shù)量組成的蠕蟲(chóng)和蛇形構(gòu)型的通用運(yùn)動(dòng)規(guī)劃函數(shù)。
　　建立了 UB