晶格畸變驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、自重構(gòu)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)可變和功能多樣的優(yōu)點(diǎn)，因此在危險(xiǎn)區(qū)域偵察、救災(zāi)和太空探索等領(lǐng)域具有不可估量的應(yīng)用前景，是當(dāng)前機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。然而自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)須由多個(gè)模塊組合才能體現(xiàn)，組合的規(guī)模越大，其結(jié)構(gòu)和功能的多樣性越高。自重構(gòu)機(jī)器人有鏈?zhǔn)綑C(jī)器人和晶格式機(jī)器人兩種基本類型。相對(duì)鏈?zhǔn)綑C(jī)器人，晶格式機(jī)器人更易組成大規(guī)模系統(tǒng)，更能體現(xiàn)自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的晶格式系統(tǒng)只能進(jìn)行單一、低效的流水式運(yùn)動(dòng)，在不進(jìn)行重構(gòu)的情況下，無法進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)。為

2、解決此問題，本文提出并研制了一種晶格畸變驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過局部晶格畸變驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，以此系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了自重構(gòu)機(jī)器人的晶格畸變驅(qū)動(dòng)原理、模塊單元實(shí)現(xiàn)技術(shù)、構(gòu)形優(yōu)化方法和運(yùn)動(dòng)控制策略。
　　1.為解決晶格式機(jī)器人不能像鏈?zhǔn)綑C(jī)器人一樣進(jìn)行多模式整體運(yùn)動(dòng)的問題，提出了通過局部晶格畸變驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)的方法。首先，基于自重構(gòu)機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和晶體晶格形式，確定了以立方體作為可變形晶格的靜態(tài)形式

3、。然后，根據(jù)章魚臂的機(jī)構(gòu)模型，將立方體晶格并聯(lián)機(jī)構(gòu)化并利用旋量集方法分析了其機(jī)構(gòu)自由度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了晶格畸變驅(qū)動(dòng)的規(guī)則，分析了晶格畸變的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，指出了實(shí)現(xiàn)畸變驅(qū)動(dòng)的晶格相當(dāng)于一個(gè)“PRP”(Prismatic-Rotati on-Prismatic)運(yùn)動(dòng)鏈且能起到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的作用。具有畸變驅(qū)動(dòng)功能的晶格為機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)奠定了機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)。
　　2.基于自重構(gòu)機(jī)器人模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、晶體的晶胞對(duì)稱性指標(biāo)和晶格畸變驅(qū)動(dòng)的新要求，

4、提出了晶格畸變驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人模塊單元實(shí)現(xiàn)的原則?；谒岢龅脑瓌t，設(shè)計(jì)了一種晶格畸變驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)—LDSBot(Lattice Distortion Self-reconfigurable Robot)的模塊結(jié)構(gòu)，并分析了此模塊的自重構(gòu)運(yùn)動(dòng)和由此模塊組成晶格的畸變運(yùn)動(dòng)。通過分析由多個(gè)可畸變驅(qū)動(dòng)的晶格組成的混聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間，證明了LDSBot系統(tǒng)具備通過整體運(yùn)動(dòng)完成任務(wù)的能力。
　　3.針對(duì)構(gòu)形中冗余模塊過多、自重構(gòu)機(jī)器

5、人自身負(fù)載過大而難以整體運(yùn)動(dòng)的問題，提出了任務(wù)導(dǎo)向的晶格畸變驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人構(gòu)形優(yōu)化方法。此優(yōu)化分成兩步，首先，根據(jù)晶格的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述，面向給定的任務(wù)，利用遺傳算法進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合，得到運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)最少的機(jī)器人構(gòu)形。然后，基于模塊強(qiáng)度策略，利用KNN法對(duì)模塊進(jìn)行分類和取舍，得到模塊數(shù)最少的構(gòu)形。通過優(yōu)化，減少了構(gòu)形中的冗余模塊，從而降低了機(jī)器人的自身負(fù)載。
　　4.針對(duì)因構(gòu)形中模塊和環(huán)路多而引起的運(yùn)動(dòng)控制過于復(fù)雜的問題，受章魚的神經(jīng)控制系統(tǒng)

6、啟發(fā)，提出了適用于晶格畸變驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)器人的仿生雙層運(yùn)動(dòng)控制策略。首先，基于LDSBot的模塊結(jié)構(gòu)和圖論的鄰接矩陣提出了一種新的構(gòu)形描述模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以描述模塊的位置，而且還能描述模塊的姿態(tài)。此優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱的模塊角色識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。然后，上層的主模塊發(fā)送命令，下層的屬模塊按接收信息的順序確立父子關(guān)系，整個(gè)構(gòu)形生成一個(gè)樹，從而解決了構(gòu)形中存在大量環(huán)路的問題。最終，每個(gè)模塊根據(jù)任務(wù)命令和自己的連接狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地決定自己的運(yùn)動(dòng)

7、角色，并在自己的知識(shí)庫(kù)中選擇相應(yīng)的動(dòng)作去執(zhí)行，從而使得機(jī)器人產(chǎn)生整體動(dòng)作。
　　5.針對(duì)通用的動(dòng)力學(xué)仿真軟件無法完成大規(guī)模自重構(gòu)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真的問題，基于動(dòng)力學(xué)仿真引擎Vortex、Physx和渲染引擎OSG開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)—TRIME(Three-dimension Robot In Mechanics Enviroment)。通過對(duì)大規(guī)模機(jī)器人系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了本文所提出的構(gòu)形優(yōu)化方法和運(yùn)動(dòng)控制算法的有效性。同時(shí)