模塊化機器人協(xié)調運動規(guī)劃與運動能力進化研究.pdf

1、模塊化自重構機器人由具有一定運動和感知能力的基本模塊組成，可以通過模塊間的連接和斷開形成豐富多樣的構型（形態(tài)），從而能夠更好的適應環(huán)境特征與任務要求，如采用蛇形或者毛蟲構型穿越狹小的孔洞，四足構型越過崎嶇的地面，在平面環(huán)境下采用環(huán)形構型實現(xiàn)高速滾動等。另外機器人模塊自帶運動關節(jié)，所以組成的構型具有超冗余自由度。正是由于模塊化機器人構型多樣性和運動超冗余度的特點，使其運動規(guī)劃和控制成為一個挑戰(zhàn)性課題。而整體協(xié)調運動作為模塊化機器人最基本的

2、能力，探尋一種有效的、可應用于任意構型的協(xié)調運動規(guī)劃與自動生成理論與技術，是該領域急需解決的難題之一。
　　模塊的基本結構對機器人的整體構型和運動模式有直接的影響。本文的研究內容基于UBot模塊化機器人系統(tǒng)，UBot模塊具有主動模塊和被動模塊兩種類型，通過主動模塊的機械式鉤爪實現(xiàn)對被動模塊的連接和斷開，模塊關節(jié)采用L型虎克鉸結構的雙轉動自由度配置，轉角范圍為（-90°~90°）。為實現(xiàn)機器人的運動能力自動生成，需要解決一系列關鍵技

3、術，尤其在軟件方面，迫切需要一個適合模塊化機器人、可快速生成協(xié)調運動的仿真計算軟件平臺。為此開發(fā)了具有運動仿真功能并且可進行高效虛擬運動進化的三維運動進化仿真平臺，實現(xiàn)了UBot模塊化機器人的運動仿真和運動能力虛擬進化，為模塊化機器人協(xié)調運動能力的快速自動生成提供有力的研究工具。
　　針對具有特殊結構的機器人構型，研究一種可伸縮運動控制器及其規(guī)劃方法，從而適應模塊數(shù)量改變下的運動自動生成及其多模式運動規(guī)劃，是模塊化機器人運動自動生

4、成的一個重要方面。本文系統(tǒng)研究了一類鏈式構型運動規(guī)劃問題，研究其開環(huán)和閉環(huán)形式的多模式運動規(guī)劃方法，基于Serpenoid曲線和提出的Serpenoid多邊形模型，構建了適應模塊數(shù)量改變的普適性運動控制器表達式，實現(xiàn)了多種新型的運動步態(tài)，例如類蚯蚓蠕動運動和Serpenoid多邊形滾動模式等，為鏈式構型機器人適應環(huán)境和執(zhí)行任務提供了運動基礎。
　　對于沒有或者難以進行運動控制器模型建立的構型，如何自動生成其運動模式，在模塊化機器人

5、領域仍然是有待研究的開放性問題。本文采用運動仿真與進化算法相結合的機器人控制器參數(shù)離線優(yōu)化方案，首先設定典型構型的控制器表達式與優(yōu)化變量，然后以仿真評價得出的適應度值為判據來引導控制器參數(shù)向量的變化趨勢，從而在有限的時間內得出滿意的運動結果。為進一步發(fā)掘模塊化機器人的多模式運動，提出了基于機器人運動行為空間稀疏度為自然進化選擇標準（適應度）的粒子群搜索算法，放棄運動搜索目標，實現(xiàn)一個可搜索出高運動速度運動步態(tài)的同時，還可發(fā)掘機器人豐富運

6、動模式的計算框架，針對不同模塊數(shù)量的毛蟲構型、蛇形構型、十字構型、四足構型等典型構型進行仿真研究，驗證算法的有效性。
　　基于控制參數(shù)搜索的運動能力進化仍然需要人工設定機器人運動控制器表達式，這種方式需要對機器人構型及其幾何特征有一定程度的了解。因此針對任意構型，控制器表達式及其參數(shù)的自動生成（自建模），成為一個重要的研究課題。本文提出一種控制器表達式自動生成與控制參數(shù)進化相結合的自建模運動能力進化方法，將機器人構型拓撲解析、功能

7、子結構的控制器表達式自動生成、同構子結構運動關系約束以及參數(shù)優(yōu)化搜索結合在一起，實現(xiàn)了任意機器人構型協(xié)調運動能力的一鍵式自動生成功能。對多種構型進行仿真驗證，結果顯示自建模運動進化可以快速找到規(guī)則的運動步態(tài)，從而在機器人構型改變情況下為機器人提供快速適應環(huán)境的能力。
　　為驗證模塊化機器人整體運動規(guī)劃及運動進化結果的有效性，建立了完整可靠的UBot模塊化機器人軟硬件系統(tǒng)。采用空間方位信息比對算法實現(xiàn)了UBot實際機器人與仿真機器人

8、的構型自動識別與匹配，并將其集成到構建的UBotSim平臺中，實現(xiàn)了虛擬機器人與實際機器人之間所見即所得的同步控制功能，為進行快速實驗驗證提供有力工具。進行8模塊毛蟲構型和12模塊閉環(huán)構型的協(xié)調運動實驗，驗證基于模型的可伸縮運動控制器規(guī)劃結果；針對基于參數(shù)優(yōu)化的運動進化和自建模運動進化的幾種新型運動步態(tài)進行實驗驗證，包括四模塊毛蟲構型仿尺蠖運動，短十字構型全關節(jié)驅動協(xié)調運動，八模塊毛蟲構型行進轉彎運動，四足和長十字構型的大跨度類對角步態(tài)