模塊化自重構機器人能控性及運動規(guī)劃研究.pdf

1、模塊化自重構機器人是由一系列結構相同但相互獨立,具有一定感知、計算、運動、自主的連接和分離能力的功能自治單元模塊有機聯(lián)接而成的機器人系統(tǒng),通過感知環(huán)境和自身狀態(tài),根據(jù)目標需求自主地改變系統(tǒng)邏輯或者物理構型,實現(xiàn)一定的功能任務。該類機器人具有魯棒性、多功能性以及適應性,在海洋探測、軍事偵察、核電站維修和廢墟營救等未知環(huán)境和非結構環(huán)境中能夠正常運行。模塊化自重構機器人的研究不但可以擴展機器人的應用領域,而且對于提高我國在該領域的科研水平具有

2、重要意義。
　　對于自重構機器人系統(tǒng),系統(tǒng)的運動取決于各個模塊的動力學特性以及模塊之間的相互作用,根據(jù)自重構機器人的動態(tài)特性給出其動態(tài)元胞自動機模型,在元胞自動機的理論基礎上,給出了狀態(tài)轉移規(guī)則矩陣的可逆性與元胞鄰域的關系,并探討了群自重構機器人理論。
　　借鑒群系統(tǒng)基于環(huán)境的建模方式,機器人模塊的動力學模型可以簡化為高階線性定常系統(tǒng),考慮到機器人模塊間的相互獨立性,將模塊化自重構機器人系統(tǒng)動力學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)出動力學方程與基于元胞自動機的動態(tài)方程的形式上的統(tǒng)一性。指出模塊化自重構機器人系統(tǒng)的能控性取決于模塊之間相互作用和系統(tǒng)圖的拓撲結構,兩個方面的因素相互獨立,互不相關,必須同時滿足。
　　針對國內(nèi)外的自重構機器人由于各自的側重點不同,尚沒有通用的仿真工具的現(xiàn)狀,本文致力于設計開發(fā)一款簡單實用的自重構機器人仿真環(huán)境,力求能夠真實的反映模塊化自重構機器人的運動,并盡可能的減少由于模塊硬件設計不同而產(chǎn)

4、生的約束。以微軟機器人開發(fā)平臺作為開發(fā)工具,將機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)境能夠真實的反映實際情況下機器人的翻轉、平移動作,為以后的開發(fā)工作奠定了基礎。
　　目前存在的分布式模塊化自重構機器人串行算法效率較低,在本項目研究過程中,為每個機器人模塊分配ID編號,給出機器人的整體構型描述,然后根據(jù)真實環(huán)境中機器人模塊的動作限制制定運動約束規(guī)則。最后根據(jù)元胞自動機的并行特性,在保