一种新型模块化自重构机器人的研究

论文摘要

模块化自重构机器人由许多具有一定运动和感知能力的标准模块相互连接组成,每个模块均具有与相邻模块连接、分离和通信的能力。机器人利用模块之间的连接性和互换性,以及模块传感器感知到的周围环境信息,通过大量模块之间的相互操作和运动来改变整体构形,扩展运动形式,完成相应的运动及操作任务。与传统机器人相比,模块化自重构机器人具有模块化、自重构、自修复、丰富的运动形式、高可靠性与良好的经济性等特点,适用于环境复杂、任务复杂的场合,如太空探险、救灾救援、空间结构构建等场合,也可以用于教育机器人、服务机器人等领域。开展模块化自重构机器人的研究具有重要的理论及现实意义。本文提出了一种基于两转动自由度的新型模块化自重构机器人模块,模块采用正立方体外形,具有两个相互垂直的转动自由度;设计了旋转钩爪式的平面连接机构,结构紧凑,连接迅速、可靠,连接后能自锁,节省能量,分离不占用模块外空间;模块自带电源,采用无线通信,在重构过程中无线缆缠绕问题;模块采用封闭式的外壳结构,表面设有人机接口,外形美观且使用、维护方便。基于研制的自重构机器人,提出了三维相对方位描述方法对系统的拓扑结构、模块方位和连接状态进行全面描述,并结合模块动作描述模型提出了模块级可避障运动规则库的建立方法。通过对自重构机器人典型构形的模块方位组成特点、运动控制规律进行分析,建立了典型构形的标准构形,使用相对方位系数与标准步态表的方法实现了自重构机器人构形中模块地址可变、数目可变、方向可变的整体协调运动控制。最后,对自重构机器人典型构形的整体协调运动进行了仿真,验证了整体协调运动控制方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 模块化自重构机器人系统的起源与分类
• 1.2.2 国内外模块化自重构机器人系统概述
• 1.2.3 自重构机器人关键技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 模块化自重构机器人系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 模块结构及功能概念设计
• 2.3 模块机械系统设计
• 2.3.1 模块转动关节驱动机构设计
• 2.3.2 模块连接机构设计
• 2.4 模块控制系统硬件设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 模块级可避障运动规则研究
• 3.1 引言
• 3.2 假设与前提
• 3.3 机器人及环境描述模型的建立
• 3.3.1 模块描述模型的建立
• 3.3.2 模块周围环境划分
• 3.3.3 两模块间连接关系
• 3.3.4 三维环境中模块描述矩阵
• 3.4 模块动作模型描述
• 3.5 模块级可避障运动规则库的建立方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 典型构形机器人整体协调运动控制
• 4.1 引言
• 4.2 自重构机器人整体协调运动特殊性分析
• 4.3 蠕虫构形整体协调运动控制
• 4.3.1 蠕虫构形定义
• 4.3.2 蠕虫构形结构特点
• 4.3.3 采用标准步态表的标准蠕虫构形运动控制
• 4.3.4 蠕虫构形模块数目与方位的扩展
• 4.4 对称四足构形整体协调运动控制
• 4.4.1 对称四足构形定义
• 4.4.2 对称四足构形坐标系建立
• 4.4.3 单腿摆动、跨步与机体移动控制
• 4.5 其他典型构形整体协调运动控制
• 4.5.1 非对称四足构形整体协调运动控制
• 4.5.2 匍匐运动构形整体协调运动控制
• 4.6 典型构形中模块方位扩展及模块相对方位关系自动识别
• 4.7 本章小结
• 第5章 典型构形机器人整体协调运动仿真实验
• 5.1 引言
• 5.2 蠕虫构形机器人整体协调运动仿真
• 5.2.1 6 模块蠕虫构形单三角波传递仿真
• 5.2.2 8 模块蠕虫构形多三角波传递仿真
• 5.3 对称四足构形机器人整体协调运动仿真
• 5.3.1 对称四足构形小跑步态仿真
• 5.3.2 对称四足构形双列蠕虫步态仿真
• 5.4 非对称四足构形整体协调运动仿真
• 5.5 匍匐运动构形整体协调运动仿真
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢