模塊化自重構(gòu)機(jī)器人能控性及運(yùn)動規(guī)劃研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人是由一系列結(jié)構(gòu)相同但相互獨(dú)立,具有一定感知、計算、運(yùn)動、自主的連接和分離能力的功能自治單元模塊有機(jī)聯(lián)接而成的機(jī)器人系統(tǒng),通過感知環(huán)境和自身狀態(tài),根據(jù)目標(biāo)需求自主地改變系統(tǒng)邏輯或者物理構(gòu)型,實(shí)現(xiàn)一定的功能任務(wù)。該類機(jī)器人具有魯棒性、多功能性以及適應(yīng)性,在海洋探測、軍事偵察、核電站維修和廢墟營救等未知環(huán)境和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中能夠正常運(yùn)行。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究不但可以擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域,而且對于提高我國在該領(lǐng)域的科研水平具有

2、重要意義。
　　對于自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng),系統(tǒng)的運(yùn)動取決于各個模塊的動力學(xué)特性以及模塊之間的相互作用,根據(jù)自重構(gòu)機(jī)器人的動態(tài)特性給出其動態(tài)元胞自動機(jī)模型,在元胞自動機(jī)的理論基礎(chǔ)上,給出了狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則矩陣的可逆性與元胞鄰域的關(guān)系,并探討了群自重構(gòu)機(jī)器人理論。
　　借鑒群系統(tǒng)基于環(huán)境的建模方式,機(jī)器人模塊的動力學(xué)模型可以簡化為高階線性定常系統(tǒng),考慮到機(jī)器人模塊間的相互獨(dú)立性,將模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)動力學(xué)特性作為離散的線性定常群系統(tǒng)

3、分析,并給出了系統(tǒng)的狀態(tài)方程描述,體現(xiàn)出動力學(xué)方程與基于元胞自動機(jī)的動態(tài)方程的形式上的統(tǒng)一性。指出模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的能控性取決于模塊之間相互作用和系統(tǒng)圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),兩個方面的因素相互獨(dú)立,互不相關(guān),必須同時滿足。
　　針對國內(nèi)外的自重構(gòu)機(jī)器人由于各自的側(cè)重點(diǎn)不同,尚沒有通用的仿真工具的現(xiàn)狀,本文致力于設(shè)計開發(fā)一款簡單實(shí)用的自重構(gòu)機(jī)器人仿真環(huán)境,力求能夠真實(shí)的反映模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動,并盡可能的減少由于模塊硬件設(shè)計不同而產(chǎn)

4、生的約束。以微軟機(jī)器人開發(fā)平臺作為開發(fā)工具,將機(jī)器人模塊抽象化為一個立方體,并對立方體模塊添加質(zhì)量、顏色、摩擦系數(shù)等物理屬性,虛擬環(huán)境能夠真實(shí)的反映實(shí)際情況下機(jī)器人的翻轉(zhuǎn)、平移動作,為以后的開發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。
　　目前存在的分布式模塊化自重構(gòu)機(jī)器人串行算法效率較低,在本項(xiàng)目研究過程中,為每個機(jī)器人模塊分配ID編號,給出機(jī)器人的整體構(gòu)型描述,然后根據(jù)真實(shí)環(huán)境中機(jī)器人模塊的動作限制制定運(yùn)動約束規(guī)則。最后根據(jù)元胞自動機(jī)的并行特性,在保