基于晶体结晶理论的模块化自重构机器人重构策略的研究

摘要

自重构机器人是由多个模块化机器人单元组成的复杂分布式系统。这些单元能够重新排列构成不同的结构从而适应其所面临的任务。该类机器人具有可扩展性、机器人构形多样性及对环境任务自适应性等诸多特点。特别适合于环境未知、执行任务变化的场合。由于自重构机器人是由许多模块组成，模块间存在多种组合形式，在研究自重构规划策略的同时也为人工智能搜索算法的研究提供了实验检验平台。故而开展模块化自重构机器人方面的研究工作对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论与现实意义。相应地，此种机器人的提出在机器人本体结构设计、自重构理论和运动规划层面上也带来了新的问题及挑战。
　　自重构机器人本体是研究自重构机器人相关内容的基础，它的结构特征直接影响自重构理论模型的建立及机器人运动的形式。本文在分析晶体基本组成单元晶胞的结构特征及自重构机器人所需功能的前提下，研制了一种单转动自由度立方晶胞单元模块，该类模块的两个“L”形构件依靠舵机连接在一起。模块有主动模块与被动模块之分，主动模块与被动模块间采用直流减速微电机与旋转钩孔的平面自锁连接机构实现连接。为了清晰直观地获知机器人构形的整体结构，采用拓扑学理论描述机器人的构形。而在计算机处理机器人构形信息时，采用一个含有10个元素的数组描述单个模块的空间方位，利用节点连接表和拓扑连接表记录构形中存在的连接及连接方位，可准确地描述机器人的空间位姿及模块间的连接关系。
　　自重构机器人自重构理论是其重要的研究内容之一，同时也是影响自重构机器人能否应用到实际生活中的重要因素之一。为了利用晶体结晶理论清晰直观地描述自重构机器人的自重构过程，在对晶体结晶过程与自重构过程之间的相似之处进行分析对比之后，本文对自重构机器人的仿结晶自重构过程进行了分析：在构建目标构形过程中，首先确立生长中心、模块方位转换中心及模块放置中心，然后借助于晶体结晶层生长理论确定目标构形的生长过程，最后利用模块组辅助单个模块完成模块的传送和方位转变的过程。同时，本文建立了面向立方晶胞机器人系统的仿晶体结晶自重构过程模型。该模型除了遵守仿晶体结晶自重构过程的一般步骤之外，在目标构形生长方向、各种待生长位置优先级、模块组的形状、目标模块传送、放置及方位转变方式等方面进行了具体的定义和规划设计。所设计的模块组为“风车”形晶胞群，该模块组所具备的移动、重构、携带模块及改变模块方位等功能能够辅助单元模块实现类似分子的自由运动。
　　在处理如何实现状态转换这类问题时，通常采取的办法是首先找到两种状态均具有的共同之处，然后在此基础之上再寻求具体的问题解决方案，采用此种方法能够将问题简化，同时，最重要的是能够提高解决问题的效率。借鉴此种解决问题的思想，针对初始构形与目标构形模块组成数量相对较少的情况，本文提出了基于籽晶与层生长理论的自重构规划策略，即利用智能搜索算法寻找到初始构形与目标构形之间的最大公共拓扑，并将其作为构建目标构形的生长籽晶，然后在此基础上实现目标构形的构建。构建目标构形时，仍采用晶体结晶层生长理论确定模块的生长顺序和借助于“风车”形晶胞群完成目标模块传送和方位转变任务。
　　移动是机器人所应具备的基本功能之一，而大部分自重构机器人单元模块恰恰不具备此种功能，如果期望自重构机器人能够移动，必须将多个模块组合在一起才能实现。通过规划模块的连接、断开和运动顺序发现，由“风车”形晶胞群组成的机器人构形具备重构移动功能。针对运动平面内是否存在障碍物，本文分别采用总体势下降法和启发快速扩展随机树搜索方法对由“风车”形晶胞群组成的机器人构形的运动路径进行了规划。机器人的每一步运动利用内置的固定运动序列库实现。
　　本文基于立方晶胞自重构机器人系统对“风车”形晶胞群所具备的基本功能进行了实验验证。实验结果表明，所构建的“风车”形晶胞群能够实现移动、重构、携带以及改变其他模块方位等功能。利用仿真实验系统对所建立的面向立方晶胞机器人系统的仿晶体结晶自重构过程模型进行了验证，目标构形分别设为由4个“风车”形晶胞群组成的机器人构形以及“H”构形，实验结果表明利用该理论执行自重构任务是有效可行的。

目录

基于晶体结晶理论的模块化自重构机器人重构策略的研究

RESEARCH ON RECONFIGURABLE STRATEGY OF MODULAR SELF-RECONFIGURABLE ROBOT BASED ON CRYSTAL’S CRYSTALLIZATION THEORY

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景、意义及目的

1.2 国内外自重构机器人理论研究综述

1.3 晶体结晶学理论概述

1.4 自重构机器人理论研究的关键问题

1.5 本文主要研究内容

第2章 模块化立方晶胞自重构机器人系统

2.1 引言

2.2 立方晶胞自重构机器人系统

2.3 自重构机器人系统数学描述

2.4 本章小结

第3章 基于晶体结晶学的自重构过程分析及建模

3.1 引言

3.2 自重构机器人仿结晶自重构过程分析

3.3 面向立方晶胞机器人的结晶自重构过程建模

3.4 本章小结

第4章 基于籽晶与层生长理论的自重构规划策略研究

4.1 引言

4.2 分级优化自重构籽晶搜索

4.3 基于层生长理论的自重构规划

4.4 仿真实验与分析

4.5 本章小结

第5章 移动晶胞群的质心迁移重构运动规划策略研究

5.1 引言

5.2 四“风车”晶胞群及其质心迁移重构规划

5.3 无障碍环境晶胞群总体势下降路径规划

5.4 有障碍环境快速扩展随机树路径规划

5.5 本章小结

第6章 自重构机器人实验研究

6.1 引言

6.2 立方晶胞自重构机器人实验系统

6.3 “风车”形晶胞群功能实验

6.4 结晶自重构过程模型仿真实验

6.5 自重构机器人手动规划自重构仿真实验

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历