基于万向式关节模块的自重构机器人研究

题名:基于万向式关节模块的自重构机器人研究
作者:唐术锋
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:自重构机器人;;万向式关节;;连接机构;;重构;;运动规划
摘要:

 模块化自重构机器人由许多具有一定运动和感知能力的标准模块组成,且每个模块具有与相邻模块连接/分离和通讯能力。通常单个模块的自由度都比较单一,但多个模块组合在一起功能将大大增强,可以通过改变模块间的连接位置、方位关系实现构型变换以适应环境和任务需求。模块化自重构机器人与传统机Magnetic lifter 器人相比具有模块化、自变形、自复制、自修复等特点,具有更丰富的运动形式,在无人参与的非结构化环境中作业具有突出的优势,特别适用于工作环境变化大、操作任务复杂的场合,在空间操作、抢险搜救、反恐侦察、核电站维护等领域有着广阔的应用前景。自重构机器人因其较强的变形能力和环境适应性,吸引了国内外多家科研机构的研究人员对其进行研究,因此及时开展自重构机器人相关技术研究,对于提升我国在自重构机器人领域的科研水平,早日将自重构机器人应用于抢险搜救以及空间操作领域具有重要的理论和现实应用价值。

 模块是自重构机器人的最小组成单元,模块的功能直接决定所组成的机器人的重构能力、运动能力,进而影响机器人所采用的控制系统、重构算法以及运动规划的复杂性。本文从自重构机器人的特点出发,提出新型模块的设计准则,通过分析对比采用不同自由度配置的模块的功能,确定新型模块的外形及自由度搭配方案,提出并研制了一种新型基于双转动自由度的万向式模块化自重构机器人UBot系统,兼具阵列式和串联式自重构机器人的优点,模块采用正立方体几何外形,由两个L形构件与中间一个直角轴连接而成,具有两个垂直相交于模块几何中心的转动自由度和四个连接面,单个自由度最大运动范围为-90°~+90°;研制了一种主、被动相结合的钩爪式连接机构,采用微型直流减速电机驱动,该机构动作迅速、可靠,连接后具有自锁功能,节省能量;同时在主、被动连接面上均布了极性相反的永磁铁为快速连接实现了连接预定位,提高了连接效率。所有模块自带电源,采用无线通讯模式,从直角轴的中心孔穿线,避免了两个构件之间线缆的缠绕,连接机构与模块基体间采用全触点连接方式,有利于模块的维护。

 通过对UBot系统模块特性进行深入分析,提出了一种基于关联矩阵的机器人拓扑描述方法,实现了模块连接和方位关系、关节角度状态等信息的综合描述;并提出了一种基于nauty算法的自动构型匹配方法,通过对邻接矩阵的同构计算和连接方位矩阵的比较,实现了新构型和数据库已知构型的自动匹配,生成已知构型到新构型的映射,从而将所有可能的运动步态映射到新构型。

 分析了UBot模块化自重构机器人系统重构过程中的限制条件,设定了重构的假设条件;根据UBot模块特点,提出了一条固定构型间是否可重构变换的必要性判据,有效的剔除了一部分互相不具有可变性的构型,避免无意义的变形运算,该判据同样适用于其它仅具有转动自由度的正立方体模块组成的自重构机器人系统。针对固定构型间的重构问题,提出了一种以构型相似度作为搜索驱动函数的变形规划方法,可以在合理的时间内找到一条动作步数相对较少的重构路径,并针对四足构型到蠕虫构型的重构进行了仿真验证,表明固定构型的重构规划方法合理可行。

 针对UBot自重构机器人几种典型拓扑构型进行了运动规划研究,对全方位十字构型分别进行了直线运动和旋转运动静态步态规划;提出了基于浮动平行四连杆模型的环形构型运动规划策略,并将静态滚动的运动规划扩展应用到一般通用环形构型的运动规划,同时进行了环形构型的动态运动规划,并通过仿真优化确定了动态滚动中环形角与变形速度的最优搭配;进行了模块化四足构型的直http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter线连续爬行步态和原地转弯步态规划,并通过仿真验证了步态规划的正确性;最后给出了任意模块数量组成的蠕虫和蛇形构型的通用运动规划函数。

 建立了UBot自重构机器人实验系统,进行了三肢体到蠕虫构型的重构实验和十字构型、环形构型、四足构型以及单链式串联构型的协调运动实验,结果表明所研制的UBot自重构机器人具有较强的重构和协调运动能力,同时验证了所提的重构和协调运动规划方法的正确性。
学位年度:2010