基于元胞自動(dòng)機(jī)的自重構(gòu)機(jī)器人分布式控制及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人也稱為變形機(jī)器人,由一系列結(jié)構(gòu)相同但相互獨(dú)立的機(jī)電模塊有機(jī)聯(lián)接而成,每個(gè)模塊功能簡(jiǎn)單但具有一定感知能力、自主的連接和分離能力,通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài),自主的改變系統(tǒng)邏輯或者物理構(gòu)型(形狀、大小),從而能在有障礙物環(huán)境中進(jìn)行面向目標(biāo)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)一定功能任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng).由于該類機(jī)器人在多樣性、魯棒性、可擴(kuò)展性及自適應(yīng)性等方面具有顯著優(yōu)點(diǎn),使其應(yīng)用在未知和非結(jié)構(gòu)化危險(xiǎn)環(huán)境中具有很大優(yōu)勢(shì),如軍事偵察、廢墟營(yíng)救、空間探索

2、和海洋探測(cè)等.積極開(kāi)展模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究對(duì)于提高我國(guó)在該領(lǐng)域的科研水平、擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域等具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義.自重構(gòu)機(jī)器人的基本研究問(wèn)題有兩個(gè):一是開(kāi)發(fā)有效的機(jī)械電子模塊,二是開(kāi)發(fā)有效的運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)劃算法.模塊化自重構(gòu)機(jī)器人是一個(gè)天然的分布式系統(tǒng),模塊設(shè)計(jì)的物理需求和自重構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo),決定了M-Cubes系統(tǒng)適合設(shè)計(jì)為同構(gòu)陣列式的分布式系統(tǒng).為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了M-Cubes單元模塊,該模塊以正立方體作為殼體、機(jī)械加電磁方式

3、作為連接分離機(jī)制,大小齒輪嚙合的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng),以DSP微控制器為控制核心,以紅外通訊作為通訊渠道,以電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的三閉環(huán)控制,以鋰電池作為模塊電源,并配置了電源的管理監(jiān)控模塊,用于實(shí)現(xiàn)模塊之間能量的共享.最終構(gòu)建了一種新型的立方體同構(gòu)陣列式三維自重構(gòu)自包含的單元模塊,不但能夠提高模塊的通用性和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性,而且模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造簡(jiǎn)便,控制容易的優(yōu)勢(shì),為設(shè)計(jì)重構(gòu)算法和研究分布式系統(tǒng)提供了硬件平臺(tái).

4、 要構(gòu)建一個(gè)自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的變形算法,首先需要用系統(tǒng)化的方法準(zhǔn)確有效地表達(dá)出機(jī)器人的特性,包括模塊的位置和狀態(tài)、系統(tǒng)的構(gòu)型和行為.本文提出了從模塊、靜態(tài)拓?fù)?、?dòng)態(tài)拓?fù)浼胺抡嫠膫€(gè)方面對(duì)M.Cubes自重構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行描述的方法.首先從agent角度對(duì)單元模塊組成進(jìn)行分解,并用特征向量對(duì)模塊的當(dāng)前六個(gè)鄰居狀態(tài)進(jìn)行描述；用2<'d>(d為系統(tǒng)的維數(shù))個(gè)單元模塊建立元模塊,緩解單元模塊的運(yùn)動(dòng)約束,增強(qiáng)模塊的運(yùn)動(dòng)能力,并對(duì)元模塊的狀態(tài)進(jìn)

5、行了描述；靜態(tài)拓?fù)涫怯晌锢砭W(wǎng)絡(luò)、通訊網(wǎng)絡(luò)、能量網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),用模塊特征向量組成的特征向量矩陣來(lái)描述靜態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)型；動(dòng)態(tài)拓?fù)鋸膭?dòng)態(tài)圖、元胞自動(dòng)機(jī)的理論出發(fā),將每個(gè)元模塊作為動(dòng)態(tài)方格圖的頂點(diǎn),用異步更新的動(dòng)態(tài)元胞自動(dòng)機(jī)圖控制模型來(lái)建立自重構(gòu)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)模型；在仿真系統(tǒng)中,根據(jù)自重構(gòu)機(jī)器人M-Cubes的特點(diǎn),用多線程方法建立仿真平臺(tái),很好的仿真了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能.模塊化自重構(gòu)機(jī)器人依靠多個(gè)模塊的簡(jiǎn)單組合并不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)

6、,只有通過(guò)某種形式的合作才能實(shí)現(xiàn)其對(duì)復(fù)雜任務(wù)的處理.而多個(gè)模塊要實(shí)現(xiàn)相互之間的合作就必須確定模塊之間邏輯上和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系,以及問(wèn)題求解能力如何分布等問(wèn)題.傳統(tǒng)的集中式控制、全局信息的分布式控制在魯棒性、擴(kuò)張性方面遇到瓶頸.為此提出利用模塊之間局部交互作用而完成任務(wù)的突現(xiàn)控制方式,根據(jù)自重構(gòu)機(jī)器人M.Cubes的特點(diǎn),將模塊個(gè)體的體系結(jié)構(gòu)劃分為任務(wù)級(jí)、構(gòu)型級(jí)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃級(jí).這種突現(xiàn)控制的群體結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)的個(gè)體結(jié)構(gòu)可以很好地解

7、決魯棒性及擴(kuò)展性方面的不足. 運(yùn)動(dòng)是機(jī)器人的最基本的能力,特別是其在環(huán)境中可以調(diào)整它們的形狀來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng).對(duì)于自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),模擬履帶式滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)是M-Cubes機(jī)器人分布式運(yùn)動(dòng)的合適選擇,它可以使系統(tǒng)像坦克的履帶一樣滾動(dòng)前進(jìn),系統(tǒng)尾部的模塊沿著結(jié)構(gòu)的表面象履帶一樣運(yùn)動(dòng)到頭部,實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的前進(jìn).在此思想的基礎(chǔ)上,根據(jù)模塊的幾何形狀設(shè)計(jì)出系統(tǒng)單向運(yùn)動(dòng)的局部規(guī)則,這些規(guī)則的運(yùn)用使系統(tǒng)具有完全分布式運(yùn)動(dòng)的能力,測(cè)試也表明,隨著模

8、塊數(shù)目的增加,系統(tǒng)的通訊量及運(yùn)動(dòng)步數(shù)成線性增長(zhǎng),提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性.簡(jiǎn)單任務(wù)構(gòu)型可以通過(guò)系統(tǒng)的幾何分析設(shè)計(jì)出元胞模塊規(guī)則來(lái)完成任務(wù),但是這遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)從任意初始構(gòu)型到給定目標(biāo)構(gòu)型變化的需求.為此,必須對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì),通過(guò)遺傳規(guī)劃算法搜索元胞模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則空間,尋找滿足自重構(gòu)機(jī)器人從初始構(gòu)型到目標(biāo)構(gòu)型的轉(zhuǎn)移規(guī)則,將這些轉(zhuǎn)移規(guī)則作為每個(gè)自重構(gòu)機(jī)器人模塊單元的控制程序,模塊之間通過(guò)局部的交互作用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全自主的分布式控制和變形任務(wù)

9、. 由于模塊在重構(gòu)過(guò)程中,模塊的裝配、連接、傳動(dòng)、懸臂變形、關(guān)節(jié)柔性都會(huì)影響末端執(zhí)行模塊的位姿誤差,從而導(dǎo)致相鄰模塊不能正常連接,必須對(duì)末端模塊位姿進(jìn)行校準(zhǔn).為便于分析起見(jiàn),將各種誤差因素統(tǒng)一都?xì)w結(jié)為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參量誤差和運(yùn)動(dòng)變量誤差.在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人M-Cubes的"L"結(jié)構(gòu)上,利用建立在連桿坐標(biāo)系上的名義坐標(biāo)系,將誤差因素引起的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和平移坐標(biāo)變換對(duì)名義坐標(biāo)系進(jìn)行修正,推導(dǎo)出正向指數(shù)積誤差校準(zhǔn)模型.將此校準(zhǔn)模型運(yùn)用