模块化个人机器人结构设计及运动规划的研究

摘要

模块化个人机器人系统，是由多个模块组成的自主机器人系统。模块化个人机器人能够完成一些基本的任务，例如自主导航定位、抓取物体、未知环境下避障等等。同非模块化机器人相比，它的优点是维护容易、修复方便、升级容易，如果一个模块出现故障，可以在较短的时间内将故障的模块直接替换而不需要改变其他模块，极大的降低了维修护理的费用，并且每个模块可批量生产，大大降低生产成本。对于单个机器人无法完成的复杂任务如：重物运输，过台阶或沟壕等，还可以通过多个机器人之间的夹具自装配成各种形状，互相协作来完成。 本文首先分析设计了一种新型的模块化式个人机器人，该机器人为移动机器人，由驱动模块、传感模块、连接模块及控制模块四个基本模块组成。使用PROE和AUTOCAD完成了这四个模块的结构设计和计算，并详细介绍了各个模块的组成及功能，及所采用的定位方法和控制体系结构。然后设计了一种新型的各个模块之间的机械连接，实现了模块之间连接的稳定性和实用性。 建立了单个模块化个人机器人的运动学及动力学模型，为研究二维、三维未知复杂环境下的路径规划算法及运动控制打下基础。并通过建立单个机器人及多个机器人的数学模型，对其越障能力进行了分析计算。对比各种未知环境下自主移动机器人的路径规划算法，本文提出了一种新颖的、基于“感知－动作”的模糊逻辑控制方法，对机器人进行复杂未知环境下的路径规划。依据此方法建立了模糊逻辑控制器并采用Mobotsim，对该方法进行了二维的仿真验证，证明了该方法的有效性及可靠性。 目前国内外对移动机器人路径规划算法的研究大多是建立在二维地形图上，对三维环境的路径规划研究很少。为了验证上述方法在实际机器人控制中的效果，选用Webots完成该方法在未知复杂环境下的3D仿真，证明了上述方法的实用性及可移植性。基于对多机器人协作越障能力的分析，用Webots模拟完成了多机器人间过台阶的任务，证明了对于一些复杂任务，可通过多机器人间的互相协作完成。