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《天津理工大学》 2015年
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模块化机器人空间变形线自重构策略研究

赵腾  
【摘要】:由于机器人在非结构环境下作业需求的增多,这就要求机器人能够通过自主改变构型应对环境及任务的变换,称这种机器人为自重构模块化机器人。本课题针对链式结构的模块化自重构机器人,进行了空间构型表达,链式自重构策略,空间重构规划运动可行性分析及单元模块硬件控制系统设计等方面的研究。提出了一种新型同构链式自重构模块化机器人M2SBot,它具备灵活的移动性和丰富的装配方式。首先对单元模块进行数学描述,分析了相邻模块装配方式以及多模块构型逻辑编号获取方法。针对传统构型表达方法不能完整表达模块化机器人的空间构型信息问题,在传统拓扑法的基础上创新提出了空间有向拓扑图的表示方法。该方法新增了模块之间的装配方式信息及单元模块内自由度信息。为了便于计算机识别和存储及后续自重构策略研究,创新提出了空间装配矩阵SAM表示方法,它不仅涵盖完整空间构型信息,实现空间构型与SAM矩阵表达的一一对应,而且借助深度优先搜索算法可获得各模块连接面装配信息CAN。针对链式模块化机器人空间自重构问题,提出了一种新的空间变形线重构策略。该策略包括构型识别、匹配及重构运动规划三部分内容。在分布式构型识别中,设计装配信息采集原理,由各模块连接中主动连接面获取装配信息,通过SAM自生成算法生成当前构型SAM,快速准确的完成当前构型识别。针对如何最大限度减少重构规划区域问题,采用深度构型匹配方法,使用CAN生成索引信息,使各模块可自行与目标构型对应模块建立匹配关系,通过双匹配原则,先后对连接边及装配数进行匹配,匹配过程各支链可自主同步进行,且均可匹配至支链末端。基于AN驱动因子提出两步法空间重构运动规划,通过模块间局部通信机制,以线型作为中间构型,提出线型转化算法及树形转化算法以完成空间重构任务。考虑到模块几何尺寸及支链自由度对运动的限制,借助模块支链工作空间分析,判断空间重构规划的可行性。当目标支链存在公共工作空间条件下,执行空间重构策略。当不存在公共空间条件时,需引入辅助模块进行空间重构。最后分别针对两种情况进行自重构机器人的重构仿真验证,仿真结果证明了该重构策略能有效实现变形。随后进行了模块化机器人硬件控制系统设计,根据系统功能分析,确定各功能单元选型。控制系统由中央上位机,分布式控制器及驱动控制器组成。上位机和分布式控制器采用无线网络进行通信,分布式控制器选用Gumstix微控制板,与驱动控制器之间采用串口通信。以STM32F103VE单片机为驱动控制器,设计了驱动及传感器单元控制电路。最后通过模块越障仿真及实验来验证控制系统电机驱动模块的有效性。
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP242

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