基于元胞自動機的自重構(gòu)機器人分布式控制及運動規(guī)劃研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機器人也稱為變形機器人,由一系列結(jié)構(gòu)相同但相互獨立的機電模塊有機聯(lián)接而成,每個模塊功能簡單但具有一定感知能力、自主的連接和分離能力,通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài),自主的改變系統(tǒng)邏輯或者物理構(gòu)型(形狀、大小),從而能在有障礙物環(huán)境中進行面向目標的運動,實現(xiàn)一定功能任務(wù)的機器人系統(tǒng).由于該類機器人在多樣性、魯棒性、可擴展性及自適應(yīng)性等方面具有顯著優(yōu)點,使其應(yīng)用在未知和非結(jié)構(gòu)化危險環(huán)境中具有很大優(yōu)勢,如軍事偵察、廢墟營救、空間探索

2、和海洋探測等.積極開展模塊化自重構(gòu)機器人的研究對于提高我國在該領(lǐng)域的科研水平、擴展機器人的應(yīng)用領(lǐng)域等具有重要的理論及現(xiàn)實意義.自重構(gòu)機器人的基本研究問題有兩個:一是開發(fā)有效的機械電子模塊,二是開發(fā)有效的運動和變形規(guī)劃算法.模塊化自重構(gòu)機器人是一個天然的分布式系統(tǒng),模塊設(shè)計的物理需求和自重構(gòu)的設(shè)計目標,決定了M-Cubes系統(tǒng)適合設(shè)計為同構(gòu)陣列式的分布式系統(tǒng).為此,我們設(shè)計了M-Cubes單元模塊,該模塊以正立方體作為殼體、機械加電磁方式

3、作為連接分離機制,大小齒輪嚙合的傳動機構(gòu)作為內(nèi)部傳動系統(tǒng),以DSP微控制器為控制核心,以紅外通訊作為通訊渠道,以電機控制模塊實現(xiàn)直流電機的三閉環(huán)控制,以鋰電池作為模塊電源,并配置了電源的管理監(jiān)控模塊,用于實現(xiàn)模塊之間能量的共享.最終構(gòu)建了一種新型的立方體同構(gòu)陣列式三維自重構(gòu)自包含的單元模塊,不但能夠提高模塊的通用性和機器人的運動靈活性,而且模塊具有結(jié)構(gòu)簡單,制造簡便,控制容易的優(yōu)勢,為設(shè)計重構(gòu)算法和研究分布式系統(tǒng)提供了硬件平臺.

4、 要構(gòu)建一個自重構(gòu)機器人系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)的變形算法,首先需要用系統(tǒng)化的方法準確有效地表達出機器人的特性,包括模塊的位置和狀態(tài)、系統(tǒng)的構(gòu)型和行為.本文提出了從模塊、靜態(tài)拓撲、動態(tài)拓撲及仿真四個方面對M.Cubes自重構(gòu)機器人進行描述的方法.首先從agent角度對單元模塊組成進行分解,并用特征向量對模塊的當前六個鄰居狀態(tài)進行描述；用2<'d>(d為系統(tǒng)的維數(shù))個單元模塊建立元模塊,緩解單元模塊的運動約束,增強模塊的運動能力,并對元模塊的狀態(tài)進

5、行了描述；靜態(tài)拓撲是由物理網(wǎng)絡(luò)、通訊網(wǎng)絡(luò)、能量網(wǎng)絡(luò)、計算網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),用模塊特征向量組成的特征向量矩陣來描述靜態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)型；動態(tài)拓撲從動態(tài)圖、元胞自動機的理論出發(fā),將每個元模塊作為動態(tài)方格圖的頂點,用異步更新的動態(tài)元胞自動機圖控制模型來建立自重構(gòu)機器人的動態(tài)模型；在仿真系統(tǒng)中,根據(jù)自重構(gòu)機器人M-Cubes的特點,用多線程方法建立仿真平臺,很好的仿真了系統(tǒng)的各項性能.模塊化自重構(gòu)機器人依靠多個模塊的簡單組合并不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢

6、,只有通過某種形式的合作才能實現(xiàn)其對復(fù)雜任務(wù)的處理.而多個模塊要實現(xiàn)相互之間的合作就必須確定模塊之間邏輯上和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系,以及問題求解能力如何分布等問題.傳統(tǒng)的集中式控制、全局信息的分布式控制在魯棒性、擴張性方面遇到瓶頸.為此提出利用模塊之間局部交互作用而完成任務(wù)的突現(xiàn)控制方式,根據(jù)自重構(gòu)機器人M.Cubes的特點,將模塊個體的體系結(jié)構(gòu)劃分為任務(wù)級、構(gòu)型級和運動規(guī)劃級.這種突現(xiàn)控制的群體結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)的個體結(jié)構(gòu)可以很好地解

7、決魯棒性及擴展性方面的不足. 運動是機器人的最基本的能力,特別是其在環(huán)境中可以調(diào)整它們的形狀來進行運動.對于自重構(gòu)機器人系統(tǒng)的運動,模擬履帶式滾動運動是M-Cubes機器人分布式運動的合適選擇,它可以使系統(tǒng)像坦克的履帶一樣滾動前進,系統(tǒng)尾部的模塊沿著結(jié)構(gòu)的表面象履帶一樣運動到頭部,實現(xiàn)整體系統(tǒng)的前進.在此思想的基礎(chǔ)上,根據(jù)模塊的幾何形狀設(shè)計出系統(tǒng)單向運動的局部規(guī)則,這些規(guī)則的運用使系統(tǒng)具有完全分布式運動的能力,測試也表明,隨著模

8、塊數(shù)目的增加,系統(tǒng)的通訊量及運動步數(shù)成線性增長,提高了系統(tǒng)的擴展性.簡單任務(wù)構(gòu)型可以通過系統(tǒng)的幾何分析設(shè)計出元胞模塊規(guī)則來完成任務(wù),但是這遠不能實現(xiàn)從任意初始構(gòu)型到給定目標構(gòu)型變化的需求.為此,必須對元胞自動機進行逆向設(shè)計,通過遺傳規(guī)劃算法搜索元胞模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則空間,尋找滿足自重構(gòu)機器人從初始構(gòu)型到目標構(gòu)型的轉(zhuǎn)移規(guī)則,將這些轉(zhuǎn)移規(guī)則作為每個自重構(gòu)機器人模塊單元的控制程序,模塊之間通過局部的交互作用實現(xiàn)系統(tǒng)完全自主的分布式控制和變形任務(wù)

9、. 由于模塊在重構(gòu)過程中,模塊的裝配、連接、傳動、懸臂變形、關(guān)節(jié)柔性都會影響末端執(zhí)行模塊的位姿誤差,從而導致相鄰模塊不能正常連接,必須對末端模塊位姿進行校準.為便于分析起見,將各種誤差因素統(tǒng)一都歸結(jié)為機器人的結(jié)構(gòu)參量誤差和運動變量誤差.在模塊化自重構(gòu)機器人M-Cubes的"L"結(jié)構(gòu)上,利用建立在連桿坐標系上的名義坐標系,將誤差因素引起的旋轉(zhuǎn)坐標變換和平移坐標變換對名義坐標系進行修正,推導出正向指數(shù)積誤差校準模型.將此校準模型運用