基于晶體結(jié)晶理論的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人重構(gòu)策略的研究.pdf

1、自重構(gòu)機(jī)器人是由多個模塊化機(jī)器人單元組成的復(fù)雜分布式系統(tǒng)。這些單元能夠重新排列構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)從而適應(yīng)其所面臨的任務(wù)。該類機(jī)器人具有可擴(kuò)展性、機(jī)器人構(gòu)形多樣性及對環(huán)境任務(wù)自適應(yīng)性等諸多特點(diǎn)。特別適合于環(huán)境未知、執(zhí)行任務(wù)變化的場合。由于自重構(gòu)機(jī)器人是由許多模塊組成，模塊間存在多種組合形式，在研究自重構(gòu)規(guī)劃策略的同時也為人工智能搜索算法的研究提供了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)平臺。故而開展模塊化自重構(gòu)機(jī)器人方面的研究工作對提高我國在該領(lǐng)域的科研水平、擴(kuò)展機(jī)器人的

2、應(yīng)用背景等具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。相應(yīng)地，此種機(jī)器人的提出在機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自重構(gòu)理論和運(yùn)動規(guī)劃層面上也帶來了新的問題及挑戰(zhàn)。
　　自重構(gòu)機(jī)器人本體是研究自重構(gòu)機(jī)器人相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)，它的結(jié)構(gòu)特征直接影響自重構(gòu)理論模型的建立及機(jī)器人運(yùn)動的形式。本文在分析晶體基本組成單元晶胞的結(jié)構(gòu)特征及自重構(gòu)機(jī)器人所需功能的前提下，研制了一種單轉(zhuǎn)動自由度立方晶胞單元模塊，該類模塊的兩個“L”形構(gòu)件依靠舵機(jī)連接在一起。模塊有主動模塊與被動模塊之分

3、，主動模塊與被動模塊間采用直流減速微電機(jī)與旋轉(zhuǎn)鉤孔的平面自鎖連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。為了清晰直觀地獲知機(jī)器人構(gòu)形的整體結(jié)構(gòu)，采用拓?fù)鋵W(xué)理論描述機(jī)器人的構(gòu)形。而在計(jì)算機(jī)處理機(jī)器人構(gòu)形信息時，采用一個含有10個元素的數(shù)組描述單個模塊的空間方位，利用節(jié)點(diǎn)連接表和拓?fù)溥B接表記錄構(gòu)形中存在的連接及連接方位，可準(zhǔn)確地描述機(jī)器人的空間位姿及模塊間的連接關(guān)系。
　　自重構(gòu)機(jī)器人自重構(gòu)理論是其重要的研究內(nèi)容之一，同時也是影響自重構(gòu)機(jī)器人能否應(yīng)用到實(shí)際生活

4、中的重要因素之一。為了利用晶體結(jié)晶理論清晰直觀地描述自重構(gòu)機(jī)器人的自重構(gòu)過程，在對晶體結(jié)晶過程與自重構(gòu)過程之間的相似之處進(jìn)行分析對比之后，本文對自重構(gòu)機(jī)器人的仿結(jié)晶自重構(gòu)過程進(jìn)行了分析：在構(gòu)建目標(biāo)構(gòu)形過程中，首先確立生長中心、模塊方位轉(zhuǎn)換中心及模塊放置中心，然后借助于晶體結(jié)晶層生長理論確定目標(biāo)構(gòu)形的生長過程，最后利用模塊組輔助單個模塊完成模塊的傳送和方位轉(zhuǎn)變的過程。同時，本文建立了面向立方晶胞機(jī)器人系統(tǒng)的仿晶體結(jié)晶自重構(gòu)過程模型。該模型

5、除了遵守仿晶體結(jié)晶自重構(gòu)過程的一般步驟之外，在目標(biāo)構(gòu)形生長方向、各種待生長位置優(yōu)先級、模塊組的形狀、目標(biāo)模塊傳送、放置及方位轉(zhuǎn)變方式等方面進(jìn)行了具體的定義和規(guī)劃設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的模塊組為“風(fēng)車”形晶胞群，該模塊組所具備的移動、重構(gòu)、攜帶模塊及改變模塊方位等功能能夠輔助單元模塊實(shí)現(xiàn)類似分子的自由運(yùn)動。
　　在處理如何實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換這類問題時，通常采取的辦法是首先找到兩種狀態(tài)均具有的共同之處，然后在此基礎(chǔ)之上再尋求具體的問題解決方案，采用此

6、種方法能夠?qū)栴}簡化，同時，最重要的是能夠提高解決問題的效率。借鑒此種解決問題的思想，針對初始構(gòu)形與目標(biāo)構(gòu)形模塊組成數(shù)量相對較少的情況，本文提出了基于籽晶與層生長理論的自重構(gòu)規(guī)劃策略，即利用智能搜索算法尋找到初始構(gòu)形與目標(biāo)構(gòu)形之間的最大公共拓?fù)?，并將其作為?gòu)建目標(biāo)構(gòu)形的生長籽晶，然后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)構(gòu)形的構(gòu)建。構(gòu)建目標(biāo)構(gòu)形時，仍采用晶體結(jié)晶層生長理論確定模塊的生長順序和借助于“風(fēng)車”形晶胞群完成目標(biāo)模塊傳送和方位轉(zhuǎn)變?nèi)蝿?wù)。
　　

7、移動是機(jī)器人所應(yīng)具備的基本功能之一，而大部分自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊恰恰不具備此種功能，如果期望自重構(gòu)機(jī)器人能夠移動，必須將多個模塊組合在一起才能實(shí)現(xiàn)。通過規(guī)劃模塊的連接、斷開和運(yùn)動順序發(fā)現(xiàn)，由“風(fēng)車”形晶胞群組成的機(jī)器人構(gòu)形具備重構(gòu)移動功能。針對運(yùn)動平面內(nèi)是否存在障礙物，本文分別采用總體勢下降法和啟發(fā)快速擴(kuò)展隨機(jī)樹搜索方法對由“風(fēng)車”形晶胞群組成的機(jī)器人構(gòu)形的運(yùn)動路徑進(jìn)行了規(guī)劃。機(jī)器人的每一步運(yùn)動利用內(nèi)置的固定運(yùn)動序列庫實(shí)現(xiàn)。