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自重构模块化机器人重构规划方法的研究

刘繄  
【摘要】: 随着机器人在非制造领域的广泛应用,机器人在非结构环境下的作业情况越来越多,这时就要求机器人具有适应环境和任务变化的能力,但由于机器人的工作能力和性能与机器人的结构构型密切相关,这就要求机器人能够动态改变自身构型,这种机器人称之为自重构模块化机器人。本论文在自重构模块化机器人的模块结构、构型表达及自重构规划等方面开展了研究。 机器人的适应性和自重构能力与机器人模块的结构密切相关。在深入研究国内外自重构机器人模块结构特点之后,综合Murata等人设计的M-Tran模块和赵杰等人设计的HitMSR模块的优点,提出了一种具有两个自由度,雌雄同面连接的自重构机器人模块。 机器人的自由度数目、工作空间的性能都和机器人的拓扑构型紧密相关。根据模块特点,提出了一种偏转状态装配关系矩阵,用来表达机器人的构型。利用该矩阵,并结合模块的空间对称关系及组合数学方法给出了一种枚举自重构机器人非同构构型的算法。运用该算法建立了2模块和3模块机器人的非同构构型库。 机器人的自重构规划与机器人模块在三维空间中的位姿密切相关。为了便于实现机器人的自重构,定义了一种三维空间表达矩阵,以及一种从偏转状态装配关系矩阵到三维空间表达矩阵的映射算法,用来表达机器人各模块在空间中的相对位置和状态。利用映射算法解决了任意拓扑构型的可自重构性判定问题,并给出判定算法。根据可自重构性判定算法,对自重构机器人的非同构构型集合进行划分,得到可自重构群。将可自重构群内所有构型及构型间的变化关系用构型重构关系图来表达,借助图论方法找到了任意两构型之间的最优重构路径,再结合已得到的重构过程实现了对自重构机器人的分层重构规划。最后,以3模块机器人为例验证了构犁规划算法的有效件。


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