同構(gòu)陣列式自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與仿真研究.pdf

1、自重構(gòu)機(jī)器人是近年來(lái)機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)新的研究方向，它由許多簡(jiǎn)單的智能體模塊構(gòu)成，不需外界幫助就能動(dòng)態(tài)地改變自身構(gòu)型，適應(yīng)外部環(huán)境，執(zhí)行不同的任務(wù)，具有較好的適應(yīng)性和容錯(cuò)性。它的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)的固定形狀的機(jī)器人，可用在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的搜尋營(yíng)救、空間探險(xiǎn)、海洋勘探、軍事等檢查及修理工作，因此具有重要的研究意義。目前對(duì)自重構(gòu)機(jī)器人的研究還處于起步階段，國(guó)內(nèi)外的一些研究成果大多處于理論水平，還不具有實(shí)用性，但是自重構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)使它具有廣

2、闊的研究前景。 自重構(gòu)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)性問(wèn)題之一是模塊的開發(fā)。自重構(gòu)機(jī)器人模塊的實(shí)現(xiàn)形式有多種，但較為常見(jiàn)和實(shí)用的是同構(gòu)陣列式模塊。國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出了幾種機(jī)器人的模塊結(jié)構(gòu)，但都各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文在吸取它們優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種同構(gòu)陣列式的模型M-Cubes。每個(gè)單元模塊由一個(gè)立方體連桿和6個(gè)可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，每個(gè)關(guān)節(jié)上有2個(gè)插孔和2個(gè)可伸縮的連接軸，相鄰兩模塊通過(guò)各自旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的兩個(gè)連接軸插入對(duì)方的兩個(gè)插孔中來(lái)完成對(duì)

3、接動(dòng)作，模塊內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)6個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)和軸的平移。模塊之間通過(guò)搭建腳手架的形式實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，本文介紹了這種運(yùn)動(dòng)形式的基本原理，并對(duì)它進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析來(lái)求解模塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的參數(shù)。 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法是自重構(gòu)機(jī)器人研究的重點(diǎn)，目前自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究主要分為集中式算法和分布式算法。本文采用多Agent理論與元胞自動(dòng)機(jī)原理的思想，提出了一種基于局部規(guī)則的全分布式算法。將每個(gè)模塊作為一個(gè)智能體，首先確定簡(jiǎn)單的基于局部狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)則

4、集；在機(jī)器人的自重構(gòu)過(guò)程中，模塊通過(guò)與鄰居模塊的信息交互，獲得自身狀態(tài)和周圍空間的狀態(tài)，對(duì)照運(yùn)動(dòng)規(guī)則集作出判斷，確定下一步的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生合理的運(yùn)動(dòng)序列。 最后，為了驗(yàn)證系統(tǒng)模型和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，本文開發(fā)了一個(gè)自重構(gòu)機(jī)器人的仿真環(huán)境。選擇Java和Java 3D作為開發(fā)工具，利用它們完全面向?qū)ο蠛投嗑€程的特點(diǎn)，將仿真環(huán)境的各部分功能通過(guò)編寫不同的類來(lái)定義，然后分為兩個(gè)線程進(jìn)行調(diào)用實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本文所開發(fā)的仿真環(huán)境具有友好的用戶界