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移动式微小型自重构机器人系统研究

钟鸣  
【摘要】: 移动式自重构机器人由若干单元机器人组成,各单元独立作业在离散状态时构成分布式机器人系统,所有单元彼此连接为组合状态时构成形状可变的自重构机器人。移动式自重构机器人兼备了分布式机器人移动范围大、作业效率高与自重构机器人构形多样、环境适应能力强的优点,从而可执行固定构形机器人无法完成的复杂任务及操作,特别适用于环境变化较大、任务序列较多的场合,如未知空间探索、灾难搜救、泄漏源检测等,也可应用于教育和服务机器人领域,开展该方面的研究对于拓展机器人的应用背景具有重要的理论及现实意义。 单元机器人的结构对于系统自重构实现以及独立作业时的环境适应能力具有重要影响,于微小型机器人而言,要求其既便于实现相邻单元的自动对接,亦能独自克服较小的障碍。为此,提出并研制了一种新型的变结构移动式微小型单元机器人,利用具有自校正能力的“销—孔”式对接装置提高了系统自重构成功率与容错能力;采用双履带包络结构增强了机体防倾覆性能与地面适应能力;通过控制两个履带模块相对夹角的变化实现变结构机体,增强了单元机器人的越障能力,从而使得单元机器人在外廓尺寸、对接能力、环境适应能力三者间取得良好平衡。 由于移动式自重构机器人的自重构功能(宏观集结与微观对接)建立在实时准确的位置姿态检测基础上,且微小型单元机器人对于体积和功耗有严苛要求,为此进行基于低成本MEMS惯性器件、民用级GPS、机器人光电码盘的微小型机器人组合导航方法研究。结合双履带驱动方式以及系统自重构功能要求,建立微小型单元机器人的系统导航模型,利用扩展卡尔曼滤波算法进行多传感器信息融合,实现了航位推算与绝对位置修正相结合的组合导航,为机器人自重构功能的实现以及作业范围的拓展奠定了基础。 实现离散状态到组合状态的自主、可逆变化过程是移动机器人自重构技术的核心问题,针对“离散→组合”状态变化过程这一难点,进行多移动机器人的动态自重构策略研究。将其有机分解为集结、对齐、对接三个步骤,以时间消耗、能量剩余、系统最优为指导,分别对应提出了基于系统均衡的动态集结优化模型、基于预测追赶的调整对齐算法、基于视觉伺服的自动对接策略。针对系统的高效控制与算法的准确执行,建立基于多智能体系统(MAS)的控制体系,并结合机器人系统的特点构建了基于黑板模型的信息交换与求解方式。 最后,完成变结构单元机器人的系统集成、上位机控制程序及人机界面,建立了移动式自重构微小型机器人实验系统。进行了系统实验规划,对单元机器人及组合机器人的机动性、通过性、导航定位能力进行了验证;对相邻单元机器人的自动对接、多机器人从离散状态到组合状态的自主重构过程进行了实验验证,结果证明了变结构单元机器人设计的合理性,组合导航方法的有效性,以及多移动机器人动态自重构策略的正确性。


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