基于萬向式關(guān)節(jié)模塊的自重構(gòu)機器人研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機器人由許多具有一定運動和感知能力的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系實現(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)機器人與傳統(tǒng)機器人相比具有模塊化、自變形、自復(fù)制、自修復(fù)等特點，具有更豐富的運動形式，在無人參與的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)具有突出的優(yōu)勢，特別適用于工作環(huán)境變化大、操作任務(wù)復(fù)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。自重構(gòu)機器人因其較強的變形能力和環(huán)境適應(yīng)性，吸引了國內(nèi)外多家科研機構(gòu)的研究人員對其進行研究，因此及時開展自重構(gòu)機器人相關(guān)技術(shù)研究，對于提升我國在自重構(gòu)機器人領(lǐng)域的科研水平，早日將自重構(gòu)機器人應(yīng)用于搶險搜救以及空間操作領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實應(yīng)用價值。
　　模塊是自重構(gòu)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(gòu)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(gòu)算法以及運動規(guī)劃的復(fù)雜性。本文從自重構(gòu)機器人的特點出發(fā)，提出新型模塊的設(shè)計準(zhǔn)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(zhuǎn)動自由度的萬向式模塊化自重構(gòu)機器人 UBot系統(tǒng)，兼具陣列式和串聯(lián)式自重構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)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(jié)合的鉤爪式連接機構(gòu)，采用微型直流減速電機驅(qū)動，該機構(gòu)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(xiàn)了連接預(yù)定位，提高了連接效率。所有模塊自帶電源，采用無線通訊模式，從直角軸的中心孔穿線，避免了兩個構(gòu)件之間線纜的纏繞，連接機構(gòu)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(guān)

5、聯(lián)矩陣的機器人拓?fù)涿枋龇椒?，實現(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算法的自動構(gòu)型匹配方法，通過對鄰接矩陣的同構(gòu)計算和連接方位矩陣的比較，實現(xiàn)了新構(gòu)型和數(shù)據(jù)庫已知構(gòu)型的自動匹配，生成已知構(gòu)型到新構(gòu)型的映射，從而將所有可能的運動步態(tài)映射到新構(gòu)型。
　　分析了 UBot模塊化自重構(gòu)機器人系統(tǒng)重構(gòu)過程中的限制條件，設(shè)定了重構(gòu)的假設(shè)條件；根據(jù) UBot模塊特點，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，避免無意義的變形運算，該判據(jù)同樣適用于其它僅具有轉(zhuǎn)動自由度的正立方體模塊組成的自重構(gòu)機器人系統(tǒng)。針對固定構(gòu)型間的重構(gòu)問題，提出了一種以構(gòu)型相似度作為搜索驅(qū)動函數(shù)的變形規(guī)劃方法，可以在合理的時間內(nèi)找到一條動作步數(shù)相對較少的重構(gòu)路徑，并針對四足構(gòu)型到蠕蟲構(gòu)型的重構(gòu)進行了仿真驗證，表明固定構(gòu)型的重構(gòu)規(guī)劃方法合理可行。
　　針對 UBot自重構(gòu)機器人幾種典型拓?fù)錁?gòu)型進行了運動規(guī)劃研究，

7、對全方位十字構(gòu)型分別進行了直線運動和旋轉(zhuǎn)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(gòu)型運動規(guī)劃策略，并將靜態(tài)滾動的運動規(guī)劃擴展應(yīng)用到一般通用環(huán)形構(gòu)型的運動規(guī)劃，同時進行了環(huán)形構(gòu)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(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(shù)量組成的蠕蟲和蛇形構(gòu)型的通用運動規(guī)劃函數(shù)。
　　建立了 UB