模塊化自重構(gòu)機(jī)器人仿生運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制.pdf

1、模塊化機(jī)器人是由大量的具有一定運(yùn)動(dòng)和感知功能的基本模塊相互連接而成，能夠構(gòu)成多種構(gòu)型完成多種任務(wù)的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，模塊化機(jī)器人具有模塊化、自變形和自修復(fù)等特點(diǎn)，同時(shí)，由多個(gè)自帶關(guān)節(jié)的模塊組合在一起的機(jī)器人系統(tǒng)具有一定的冗余度，靈活性強(qiáng)，使其具備了較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)構(gòu)型及運(yùn)動(dòng)模式的改變來(lái)適應(yīng)不同的路面條件。然而，模塊化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的超冗余度、運(yùn)動(dòng)構(gòu)型多樣性以及運(yùn)動(dòng)多模式化的特點(diǎn)，也使運(yùn)動(dòng)規(guī)劃變得更加復(fù)雜。因此，尋

2、找一種能夠?qū)⒛K化機(jī)器人多種運(yùn)動(dòng)構(gòu)型的多種模式運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一規(guī)劃，使運(yùn)動(dòng)模式能夠隨著機(jī)器人構(gòu)型改變而自適應(yīng)變化，并且能夠?qū)ν獠凯h(huán)境反饋?zhàn)鞒鱿鄳?yīng)步態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的自主運(yùn)動(dòng)的控制方法對(duì)模塊化機(jī)器人的發(fā)展具有重要的研究意義。
　　模塊作為機(jī)器人的基本單元，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)整體構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)方式有著較大影響。本文采用正方體結(jié)構(gòu)的UBot模塊作為研究對(duì)象，模塊分別主動(dòng)模塊和被動(dòng)模塊，分別帶有主、被動(dòng)鉤爪式連接機(jī)構(gòu)，主動(dòng)模塊與被動(dòng)模塊可以實(shí)

3、現(xiàn)自動(dòng)的連接/斷開，通過(guò)連接機(jī)構(gòu)上的方位識(shí)別單元識(shí)別模塊間的連接狀態(tài)及方位，具有陣列式機(jī)器人模塊結(jié)構(gòu)規(guī)整、連接機(jī)構(gòu)靈活的特征；每個(gè)模塊具有兩個(gè)相互垂直的旋轉(zhuǎn)自由度，旋轉(zhuǎn)角度范圍為(-90°，90°)，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式機(jī)器人整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的功能。為了使機(jī)器人系統(tǒng)具有環(huán)境感知功能，為UBot系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感模塊，傳感模塊內(nèi)裝有攝像頭、紅外傳感器、線性霍爾傳感器及加速度計(jì)等傳感裝置，并具有與UBot被動(dòng)模塊相同的連接機(jī)構(gòu)，可以連接到運(yùn)動(dòng)構(gòu)型中實(shí)時(shí)感

4、知外部環(huán)境。
　　借鑒生物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的控制機(jī)制，建立模塊化機(jī)器人仿生網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。針對(duì)UBot模塊雙關(guān)節(jié)間相互約束的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了能夠控制模塊兩個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的雙輸出中樞模式發(fā)生器（CPG）振蕩模型，構(gòu)建了雙輸出CPG調(diào)相運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，用于模擬生物的脊髓神經(jīng)控制系統(tǒng)，并引入中間神經(jīng)元、感知神經(jīng)元和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，形成模塊化機(jī)器人仿生運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。
　　基于建立的仿生運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，分別針對(duì)模塊化機(jī)器人所構(gòu)成的兩類構(gòu)形——無(wú)肢體

5、運(yùn)動(dòng)構(gòu)型和有肢體運(yùn)動(dòng)構(gòu)型制定運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略。通過(guò)模擬低等生物將低級(jí)神經(jīng)中樞的自激行為直接作用到各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制方式，對(duì)模塊化機(jī)器人幾種典型的無(wú)肢體運(yùn)動(dòng)構(gòu)型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。利用CPG調(diào)相控制器中節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)相位輸出結(jié)果的影響，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不變的情況下，實(shí)現(xiàn)了蛇形構(gòu)型蠕動(dòng)、多節(jié)蟲運(yùn)動(dòng)、蜿蜒運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的多種運(yùn)動(dòng)模式的統(tǒng)一規(guī)劃；并解決了十字構(gòu)型的直行、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模式，環(huán)形構(gòu)型的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題；通過(guò)模擬高等動(dòng)物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)控制系

6、統(tǒng)的方法，針對(duì)有肢體運(yùn)動(dòng)構(gòu)型提出了利用CPG調(diào)相控制器模擬高等動(dòng)物的脊髓神經(jīng)系統(tǒng)，為各個(gè)關(guān)節(jié)分別建立運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略，面向由髖膝踝關(guān)節(jié)組成的有肢體運(yùn)動(dòng)構(gòu)型制訂了統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元設(shè)計(jì)辦法，實(shí)現(xiàn)了仿生四足構(gòu)型對(duì)角步態(tài)和慢走步態(tài)的統(tǒng)一規(guī)劃。
　　從拓?fù)錁?gòu)型改變與拓?fù)錁?gòu)型不變兩個(gè)方面，研究了模塊化機(jī)器人構(gòu)型改變帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法協(xié)調(diào)變化問(wèn)題。對(duì)于由模塊連接方式改變而產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變形，考慮單鏈?zhǔn)綐?gòu)型的拓?fù)涓淖兣c運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，歸納出開鏈

7、式結(jié)構(gòu)與閉鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)之間的變形條件和各自的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；通過(guò)調(diào)整仿生控制網(wǎng)絡(luò)中的CPG節(jié)點(diǎn)連接方式，建立能夠同時(shí)適應(yīng)開鏈?zhǔn)綐?gòu)型蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)及閉鏈?zhǔn)綐?gòu)型滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃方法。通過(guò)環(huán)形構(gòu)型與蛇形構(gòu)型變形與運(yùn)動(dòng)模式協(xié)調(diào)改變的仿真，驗(yàn)證了方法的有效性。對(duì)于模塊化機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，而運(yùn)動(dòng)功能改變的變形，考慮有肢體運(yùn)動(dòng)構(gòu)型及其衍生的無(wú)肢體蠕動(dòng)構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)功能改變與協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，在仿生運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)框架不變的情況下，制訂了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的協(xié)調(diào)改變策略。通過(guò)仿生四足構(gòu)

8、型與其衍生的橫向蠕動(dòng)H型、向前蠕動(dòng)H型之間的變形與運(yùn)動(dòng)模式協(xié)調(diào)改變的仿真，表明有肢體運(yùn)動(dòng)構(gòu)型及其衍生的蠕動(dòng)構(gòu)型運(yùn)動(dòng)功能改變與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)規(guī)劃方法的可行性。
　　為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)功能，模擬生物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控功能的三級(jí)等級(jí)結(jié)構(gòu)，建立了一套包含信息采集單元、底層局部信息反射規(guī)劃器以及高層信息處理系統(tǒng)并具有環(huán)境反饋感知功能的運(yùn)動(dòng)控制器，使機(jī)器人根據(jù)外部環(huán)境的反饋，能夠自主地完成越障、避障、上下坡及步態(tài)變換，并能夠針對(duì)特殊環(huán)