基于萬向式關節(jié)模塊的自重構機器人研究.pdf

1、模塊化自重構機器人由許多具有一定運動和感知能力的標準模塊組成，且每個模塊具有與相鄰模塊連接/分離和通訊能力。通常單個模塊的自由度都比較單一，但多個模塊組合在一起功能將大大增強，可以通過改變模塊間的連接位置、方位關系實現構型變換以適應環(huán)境和任務需求。模塊化自重構機器人與傳統(tǒng)機器人相比具有模塊化、自變形、自復制、自修復等特點，具有更豐富的運動形式，在無人參與的非結構化環(huán)境中作業(yè)具有突出的優(yōu)勢，特別適用于工作環(huán)境變化大、操作任務復雜的場合，在

2、空間操作、搶險搜救、反恐偵察、核電站維護等領域有著廣闊的應用前景。自重構機器人因其較強的變形能力和環(huán)境適應性，吸引了國內外多家科研機構的研究人員對其進行研究，因此及時開展自重構機器人相關技術研究，對于提升我國在自重構機器人領域的科研水平，早日將自重構機器人應用于搶險搜救以及空間操作領域具有重要的理論和現實應用價值。
　　模塊是自重構機器人的最小組成單元，模塊的功能直接決定所組成的機器人的重構能力、運動能力，進而影響機器人所采用的控

3、制系統(tǒng)、重構算法以及運動規(guī)劃的復雜性。本文從自重構機器人的特點出發(fā)，提出新型模塊的設計準則，通過分析對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動自由度的萬向式模塊化自重構機器人 UBot系統(tǒng)，兼具陣列式和串聯式自重構機器人的優(yōu)點，模塊采用正立方體幾何外形，由兩個 L形構件與中間一個直角軸連接而成，具有兩個垂直相交于模塊幾何中心的轉動自由度和四個連接面，單個自由度最大運動范圍為-9

4、0°~+90°；研制了一種主、被動相結合的鉤爪式連接機構，采用微型直流減速電機驅動，該機構動作迅速、可靠，連接后具有自鎖功能，節(jié)省能量；同時在主、被動連接面上均布了極性相反的永磁鐵為快速連接實現了連接預定位，提高了連接效率。所有模塊自帶電源，采用無線通訊模式，從直角軸的中心孔穿線，避免了兩個構件之間線纜的纏繞，連接機構與模塊基體間采用全觸點連接方式，有利于模塊的維護。
　　通過對 UBot系統(tǒng)模塊特性進行深入分析，提出了一種基于關

5、聯矩陣的機器人拓撲描述方法，實現了模塊連接和方位關系、關節(jié)角度狀態(tài)等信息的綜合描述；并提出了一種基于nauty算法的自動構型匹配方法，通過對鄰接矩陣的同構計算和連接方位矩陣的比較，實現了新構型和數據庫已知構型的自動匹配，生成已知構型到新構型的映射，從而將所有可能的運動步態(tài)映射到新構型。
　　分析了 UBot模塊化自重構機器人系統(tǒng)重構過程中的限制條件，設定了重構的假設條件；根據 UBot模塊特點，提出了一條固定構型間是否可重構變換的

6、必要性判據，有效的剔除了一部分互相不具有可變性的構型，避免無意義的變形運算，該判據同樣適用于其它僅具有轉動自由度的正立方體模塊組成的自重構機器人系統(tǒng)。針對固定構型間的重構問題，提出了一種以構型相似度作為搜索驅動函數的變形規(guī)劃方法，可以在合理的時間內找到一條動作步數相對較少的重構路徑，并針對四足構型到蠕蟲構型的重構進行了仿真驗證，表明固定構型的重構規(guī)劃方法合理可行。
　　針對 UBot自重構機器人幾種典型拓撲構型進行了運動規(guī)劃研究，

7、對全方位十字構型分別進行了直線運動和旋轉運動靜態(tài)步態(tài)規(guī)劃；提出了基于浮動平行四連桿模型的環(huán)形構型運動規(guī)劃策略，并將靜態(tài)滾動的運動規(guī)劃擴展應用到一般通用環(huán)形構型的運動規(guī)劃，同時進行了環(huán)形構型的動態(tài)運動規(guī)劃，并通過仿真優(yōu)化確定了動態(tài)滾動中環(huán)形角與變形速度的最優(yōu)搭配；進行了模塊化四足構型的直線連續(xù)爬行步態(tài)和原地轉彎步態(tài)規(guī)劃，并通過仿真驗證了步態(tài)規(guī)劃的正確性；最后給出了任意模塊數量組成的蠕蟲和蛇形構型的通用運動規(guī)劃函數。
　　建立了 UB