模塊化機器人協(xié)調(diào)運動規(guī)劃與運動能力進(jìn)化研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機器人由具有一定運動和感知能力的基本模塊組成，可以通過模塊間的連接和斷開形成豐富多樣的構(gòu)型（形態(tài)），從而能夠更好的適應(yīng)環(huán)境特征與任務(wù)要求，如采用蛇形或者毛蟲構(gòu)型穿越狹小的孔洞，四足構(gòu)型越過崎嶇的地面，在平面環(huán)境下采用環(huán)形構(gòu)型實現(xiàn)高速滾動等。另外機器人模塊自帶運動關(guān)節(jié)，所以組成的構(gòu)型具有超冗余自由度。正是由于模塊化機器人構(gòu)型多樣性和運動超冗余度的特點，使其運動規(guī)劃和控制成為一個挑戰(zhàn)性課題。而整體協(xié)調(diào)運動作為模塊化機器人最基本的

2、能力，探尋一種有效的、可應(yīng)用于任意構(gòu)型的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃與自動生成理論與技術(shù)，是該領(lǐng)域急需解決的難題之一。
　　模塊的基本結(jié)構(gòu)對機器人的整體構(gòu)型和運動模式有直接的影響。本文的研究內(nèi)容基于UBot模塊化機器人系統(tǒng)，UBot模塊具有主動模塊和被動模塊兩種類型，通過主動模塊的機械式鉤爪實現(xiàn)對被動模塊的連接和斷開，模塊關(guān)節(jié)采用L型虎克鉸結(jié)構(gòu)的雙轉(zhuǎn)動自由度配置，轉(zhuǎn)角范圍為（-90°~90°）。為實現(xiàn)機器人的運動能力自動生成，需要解決一系列關(guān)鍵技

3、術(shù)，尤其在軟件方面，迫切需要一個適合模塊化機器人、可快速生成協(xié)調(diào)運動的仿真計算軟件平臺。為此開發(fā)了具有運動仿真功能并且可進(jìn)行高效虛擬運動進(jìn)化的三維運動進(jìn)化仿真平臺，實現(xiàn)了UBot模塊化機器人的運動仿真和運動能力虛擬進(jìn)化，為模塊化機器人協(xié)調(diào)運動能力的快速自動生成提供有力的研究工具。
　　針對具有特殊結(jié)構(gòu)的機器人構(gòu)型，研究一種可伸縮運動控制器及其規(guī)劃方法，從而適應(yīng)模塊數(shù)量改變下的運動自動生成及其多模式運動規(guī)劃，是模塊化機器人運動自動生

4、成的一個重要方面。本文系統(tǒng)研究了一類鏈?zhǔn)綐?gòu)型運動規(guī)劃問題，研究其開環(huán)和閉環(huán)形式的多模式運動規(guī)劃方法，基于Serpenoid曲線和提出的Serpenoid多邊形模型，構(gòu)建了適應(yīng)模塊數(shù)量改變的普適性運動控制器表達(dá)式，實現(xiàn)了多種新型的運動步態(tài)，例如類蚯蚓蠕動運動和Serpenoid多邊形滾動模式等，為鏈?zhǔn)綐?gòu)型機器人適應(yīng)環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)提供了運動基礎(chǔ)。
　　對于沒有或者難以進(jìn)行運動控制器模型建立的構(gòu)型，如何自動生成其運動模式，在模塊化機器人

5、領(lǐng)域仍然是有待研究的開放性問題。本文采用運動仿真與進(jìn)化算法相結(jié)合的機器人控制器參數(shù)離線優(yōu)化方案，首先設(shè)定典型構(gòu)型的控制器表達(dá)式與優(yōu)化變量，然后以仿真評價得出的適應(yīng)度值為判據(jù)來引導(dǎo)控制器參數(shù)向量的變化趨勢，從而在有限的時間內(nèi)得出滿意的運動結(jié)果。為進(jìn)一步發(fā)掘模塊化機器人的多模式運動，提出了基于機器人運動行為空間稀疏度為自然進(jìn)化選擇標(biāo)準(zhǔn)（適應(yīng)度）的粒子群搜索算法，放棄運動搜索目標(biāo)，實現(xiàn)一個可搜索出高運動速度運動步態(tài)的同時，還可發(fā)掘機器人豐富運

6、動模式的計算框架，針對不同模塊數(shù)量的毛蟲構(gòu)型、蛇形構(gòu)型、十字構(gòu)型、四足構(gòu)型等典型構(gòu)型進(jìn)行仿真研究，驗證算法的有效性。
　　基于控制參數(shù)搜索的運動能力進(jìn)化仍然需要人工設(shè)定機器人運動控制器表達(dá)式，這種方式需要對機器人構(gòu)型及其幾何特征有一定程度的了解。因此針對任意構(gòu)型，控制器表達(dá)式及其參數(shù)的自動生成（自建模），成為一個重要的研究課題。本文提出一種控制器表達(dá)式自動生成與控制參數(shù)進(jìn)化相結(jié)合的自建模運動能力進(jìn)化方法，將機器人構(gòu)型拓?fù)浣馕觥⒐δ?/p>

7、子結(jié)構(gòu)的控制器表達(dá)式自動生成、同構(gòu)子結(jié)構(gòu)運動關(guān)系約束以及參數(shù)優(yōu)化搜索結(jié)合在一起，實現(xiàn)了任意機器人構(gòu)型協(xié)調(diào)運動能力的一鍵式自動生成功能。對多種構(gòu)型進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果顯示自建模運動進(jìn)化可以快速找到規(guī)則的運動步態(tài)，從而在機器人構(gòu)型改變情況下為機器人提供快速適應(yīng)環(huán)境的能力。
　　為驗證模塊化機器人整體運動規(guī)劃及運動進(jìn)化結(jié)果的有效性，建立了完整可靠的UBot模塊化機器人軟硬件系統(tǒng)。采用空間方位信息比對算法實現(xiàn)了UBot實際機器人與仿真機器人

8、的構(gòu)型自動識別與匹配，并將其集成到構(gòu)建的UBotSim平臺中，實現(xiàn)了虛擬機器人與實際機器人之間所見即所得的同步控制功能，為進(jìn)行快速實驗驗證提供有力工具。進(jìn)行8模塊毛蟲構(gòu)型和12模塊閉環(huán)構(gòu)型的協(xié)調(diào)運動實驗，驗證基于模型的可伸縮運動控制器規(guī)劃結(jié)果；針對基于參數(shù)優(yōu)化的運動進(jìn)化和自建模運動進(jìn)化的幾種新型運動步態(tài)進(jìn)行實驗驗證，包括四模塊毛蟲構(gòu)型仿尺蠖運動，短十字構(gòu)型全關(guān)節(jié)驅(qū)動協(xié)調(diào)運動，八模塊毛蟲構(gòu)型行進(jìn)轉(zhuǎn)彎運動，四足和長十字構(gòu)型的大跨度類對角步態(tài)