模块化机器人空间变形线自重构策略-研究.pdf

5.4 控制系统电路板设计 48 5.5 模块地面运动适应性仿真及实验 49 5.6 本章小结 51 第六章 总结与展望 53 6.1 全文总结 53 6.2 不足与展望 54 参考文献 55 发表论文和科研情况说明 58 致 谢 59 - ii - 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 随着机器人在各个领域的广泛应用，机器人越来越多的应用到非结构环境中完成作 业，而对于未知的工作环境以及不同的工作任务，这就要求机器人可以通过改变其构型 来达到高适应性的要求，这种可以动态、自主改变构型以适应任务需要的机器人，称之 [1] 为自重构模块化机器人 。模块化自重构机器人是由一系列结构简单，具有独立信息处 理能力的单元模块组成，为了实现更好的任务性与环境适应性，当多模块系统运行时， 各模块单元分别通过连接与断开动作，自主实现构型变化，以满足环境与任务的需要。 与普通机器人所不同的是它摆脱了固定构型的限制，并且能够自主完成构型的变化，因 此针对未知环境下作业，例如灾难救援、核电站维保及航天探索领域具有显著的优势。 由多模块构成的自重构机器人虽然可以根据环境及任务性的不同来改变构型，以达 到最理想的工作构型，但是重构运动中需要对每一个参与模块进行运动规划，而且由当 前构型向目标构型变换的方式并不唯一，理论上构型模块数越多，能达到目标构型的解 就越多，因此如何从减少参与模块数，降低运动步数，缩短重构时间等方面寻求重构最 [2] 优解，成为自重构研究领域的一个关键问题 。本文针对链式模块化自重构机器人 2 M SBot 提出空间变形线自重构策略，以实现链式模块机器人空间自重构的高效性与准 确性。 1.2 国内外相关领域研究现状及分析 对于自重构模块化机器人的研究领域存在很多方向，本章主要从多模块空间构型表 达，自重构策略研究，单元模块硬件控制系统设计三方面来分析目前国内外对自重构模 块化机器人的研究情况。 1.2.1 自重构机器人多模块构型拓扑表达 自重构模块化机器人由于具有可以根据环境、任务的需要，自主改变自身构型的特 点，因此针对重构运动，快速准确的对多模块空间构型进行表达，是实现自重构功能的 前提与保证。当模块数目增加时，所对应的可装配构型成指数倍增加，这将为自重构策 [3] 略引入大量的数据处理任务 。因此寻找一种准确，简洁的构型表达方法对于自重构模 块化机器人的研究有着非常重要的影响。 矩阵表示法最早出现于 1993 年，由加州理工学院的Chen 与Burdick 提出装配关联 [4] 矩阵方法 ，用以对模块化机器人进行构型描述，首先将多模块运动副进行顺序编号， - 1 - 第一章 绪论 使用字母来描述模块种类及关节类型，数字描述模块间连接方式。该方法不能直接利用 数学描述的方式进行比对，无法准确进行两构型匹配。2001 年由Will 针对模块Conro[5] [6] 提出一种新的拓扑表达方法 ，该方法通过有向图及临接矩阵来实现针对模块静态系统 拓扑构型描述，不足在于仅适用于两连接面模块，无法应用于单元模块连接面较多的系 [7] 统中，缺少一定的普适性。2006 年由上海交通大学费艳琼 等人提出使用面面映射矩阵 [8] （FFIM ）的方法，该方法使用离散特征来描述机器人系统中各模块的位置信息及模块 间连接信息，但没有引入模块空间姿态信息，同时采用分数的表达形式不利于计算机处 理应用。2010 年南加州大学的 Shen[9]与Hou 提出基于深度优先有哪些信誉好的足球投注网站算法的变形重构策