非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中自重構(gòu)機(jī)器人仿生運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、自重構(gòu)機(jī)器人是由許多結(jié)構(gòu)簡單并具有一定運(yùn)動(dòng)和感知功能的基本單元模塊通過相互間的連接構(gòu)成的機(jī)器人系統(tǒng)。自重構(gòu)機(jī)器人利用單元模塊間的連接性和互換性，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聯(lián)體構(gòu)型的變換，能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)環(huán)境和任務(wù)的需要。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，自重構(gòu)機(jī)器人具有自重構(gòu)、自修復(fù)、自適應(yīng)、可擴(kuò)展和良好的經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。自重構(gòu)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用具有突出優(yōu)勢(shì)，如災(zāi)后搜救、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。但自重構(gòu)機(jī)器人的構(gòu)型多樣性和運(yùn)動(dòng)多模式等特點(diǎn)，也使其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃比傳統(tǒng)機(jī)器人

2、更為復(fù)雜。因此，本文針對(duì)自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一控制方法進(jìn)行了研究。該運(yùn)動(dòng)控制方法既能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聯(lián)體多構(gòu)型、多模式的運(yùn)動(dòng)控制，又能夠自適應(yīng)自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體的構(gòu)型改變。同時(shí)針對(duì)自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的自主協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)展開研究，使得自重構(gòu)機(jī)器人能根據(jù)傳感反饋信息，實(shí)時(shí)地調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)模式。
　　單元模塊作為自重構(gòu)機(jī)器人的基本單元，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接決定了自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體的運(yùn)動(dòng)性能。本文根據(jù)不同的關(guān)節(jié)配置，分別設(shè)計(jì)和研制了

3、三代自重構(gòu)機(jī)器人。第一代自重構(gòu)機(jī)器人由三個(gè)正交關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，著重研究單元模塊的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力。第一代自重構(gòu)機(jī)器人單元模塊能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、側(cè)移運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。為解決單元模塊在自組裝過程中角度調(diào)節(jié)精度差的問題，本文研制了第二代自重構(gòu)機(jī)器人，利用所設(shè)計(jì)的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將單元模塊的角度調(diào)節(jié)精度提高到了2°。第三代自重構(gòu)機(jī)器人融合了以上兩代自重構(gòu)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，關(guān)節(jié)模塊具有2個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)自由度，通過關(guān)節(jié)模塊的不同組合可以模仿PolyBo

4、t，iMobot和SuperBot等典型的自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。針對(duì)第三代自重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種模塊化同構(gòu)無性的自動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，該連接機(jī)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)單元模塊間的串行連接，又能實(shí)現(xiàn)單元模塊間的并行連接，進(jìn)一步增強(qiáng)了自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體的組裝和重構(gòu)功能。
　　本文將兩個(gè)第三代自重構(gòu)機(jī)器人的關(guān)節(jié)模塊組裝成一個(gè)單元模塊，通過分析該單元模塊的特征，總結(jié)了關(guān)節(jié)模塊狀態(tài)對(duì)自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的影響，并提出了一種基于鄰接矩陣的機(jī)器人聯(lián)體構(gòu)型拓?fù)涿枋龇?/p>

5、法，實(shí)現(xiàn)了單元模塊自身狀態(tài)、連接狀態(tài)和連接方位關(guān)系等的數(shù)學(xué)表達(dá)，為建立自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體的運(yùn)動(dòng)構(gòu)型庫奠定了基礎(chǔ)。自重構(gòu)機(jī)器人的通信系統(tǒng)直接影響著機(jī)器人聯(lián)體的運(yùn)動(dòng)效率，通過對(duì)比當(dāng)前存在的幾種通信方式的利弊，本文提出了基于無線射頻的多層通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)被分為機(jī)器人聯(lián)體間全局通信網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人聯(lián)體內(nèi)全局通信網(wǎng)絡(luò)和單元模塊間局部通信網(wǎng)絡(luò)，分別針對(duì)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次提出了自適應(yīng)傳輸功率調(diào)節(jié)方法，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)方法和機(jī)器人聯(lián)體構(gòu)型識(shí)別方法。
　　借鑒

6、生物低級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，構(gòu)建了適用于自重構(gòu)機(jī)器人的多層中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator, CPG)仿生運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為節(jié)律發(fā)生器層、模式發(fā)生器層和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元層，節(jié)律發(fā)生器層和模式發(fā)生器層的中間神經(jīng)元及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元層的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元分別采用Kuramoto非線性相位振蕩器和DMP進(jìn)行建模，并采用單參數(shù)分析法研究模型參數(shù)對(duì)CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的影響規(guī)律。CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由中

7、間神經(jīng)元的耦合關(guān)系構(gòu)成，通過對(duì)比法分析了中間神經(jīng)元的耦合關(guān)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的影響。
　　本文根據(jù)機(jī)器人聯(lián)體運(yùn)動(dòng)方式的不同，將自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體分為無足型機(jī)器人聯(lián)體和多足型機(jī)器人聯(lián)體。通過分析研究不同自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，分別建立相應(yīng)的CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了Ⅰ型機(jī)器人聯(lián)體的行波運(yùn)動(dòng)、蜿蜒運(yùn)動(dòng)、側(cè)向蜿蜒和側(cè)向滾動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)模式控制，以及O型機(jī)器人聯(lián)體的靜態(tài)滾動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)控制。針對(duì)多足型機(jī)器人聯(lián)體，分別

8、對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元建立目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了H型機(jī)器人聯(lián)體和X型機(jī)器人聯(lián)體的運(yùn)動(dòng)控制。不同的自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體構(gòu)型適用于不同的地形環(huán)境，通過對(duì)不同機(jī)器人聯(lián)體結(jié)構(gòu)特征的研究發(fā)現(xiàn)具有相似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機(jī)器人聯(lián)體通過簡單的重構(gòu)或關(guān)節(jié)狀態(tài)變化能夠衍生出彼此的運(yùn)動(dòng)模式。在保持CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳蛔兊那闆r下，僅通過調(diào)整CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間神經(jīng)元的相位關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了Ⅰ型機(jī)器人聯(lián)體和O型機(jī)器人聯(lián)體的運(yùn)動(dòng)模式相互衍生以及H型機(jī)器人聯(lián)體衍生出Ⅰ

9、型機(jī)器人聯(lián)體的行波運(yùn)動(dòng)。說明本文所提出的多層CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)自重構(gòu)機(jī)器人的構(gòu)型變化具有一定的自適應(yīng)性。
　　為實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，本文通過模擬動(dòng)物的反射機(jī)制，針對(duì)H型機(jī)器人聯(lián)體提出了碰撞反射、踏空反射和前庭反射三種低層反射調(diào)節(jié)機(jī)制，使得H型機(jī)器人聯(lián)體能夠適應(yīng)凹凸不平的地形和坡面?；诩t外測(cè)距傳感器，提出了Ⅰ型機(jī)器人聯(lián)體的自主避障方法。CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)的連續(xù)性較大程度地影響自重構(gòu)機(jī)器人聯(lián)體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定