模塊化機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)化研究.pdf

1、模塊化自重構(gòu)機(jī)器人由具有一定運(yùn)動(dòng)和感知能力的基本模塊組成，可以通過(guò)模塊間的連接和斷開(kāi)形成豐富多樣的構(gòu)型（形態(tài)），從而能夠更好的適應(yīng)環(huán)境特征與任務(wù)要求，如采用蛇形或者毛蟲(chóng)構(gòu)型穿越狹小的孔洞，四足構(gòu)型越過(guò)崎嶇的地面，在平面環(huán)境下采用環(huán)形構(gòu)型實(shí)現(xiàn)高速滾動(dòng)等。另外機(jī)器人模塊自帶運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，所以組成的構(gòu)型具有超冗余自由度。正是由于模塊化機(jī)器人構(gòu)型多樣性和運(yùn)動(dòng)超冗余度的特點(diǎn)，使其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制成為一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。而整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)作為模塊化機(jī)器人最基本的

2、能力，探尋一種有效的、可應(yīng)用于任意構(gòu)型的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與自動(dòng)生成理論與技術(shù)，是該領(lǐng)域急需解決的難題之一。
　　模塊的基本結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器人的整體構(gòu)型和運(yùn)動(dòng)模式有直接的影響。本文的研究?jī)?nèi)容基于UBot模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，UBot模塊具有主動(dòng)模塊和被動(dòng)模塊兩種類型，通過(guò)主動(dòng)模塊的機(jī)械式鉤爪實(shí)現(xiàn)對(duì)被動(dòng)模塊的連接和斷開(kāi)，模塊關(guān)節(jié)采用L型虎克鉸結(jié)構(gòu)的雙轉(zhuǎn)動(dòng)自由度配置，轉(zhuǎn)角范圍為（-90°~90°）。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力自動(dòng)生成，需要解決一系列關(guān)鍵技

3、術(shù)，尤其在軟件方面，迫切需要一個(gè)適合模塊化機(jī)器人、可快速生成協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算軟件平臺(tái)。為此開(kāi)發(fā)了具有運(yùn)動(dòng)仿真功能并且可進(jìn)行高效虛擬運(yùn)動(dòng)進(jìn)化的三維運(yùn)動(dòng)進(jìn)化仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了UBot模塊化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)能力虛擬進(jìn)化，為模塊化機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)能力的快速自動(dòng)生成提供有力的研究工具。
　　針對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)器人構(gòu)型，研究一種可伸縮運(yùn)動(dòng)控制器及其規(guī)劃方法，從而適應(yīng)模塊數(shù)量改變下的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)生成及其多模式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，是模塊化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自動(dòng)生

4、成的一個(gè)重要方面。本文系統(tǒng)研究了一類鏈?zhǔn)綐?gòu)型運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，研究其開(kāi)環(huán)和閉環(huán)形式的多模式運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，基于Serpenoid曲線和提出的Serpenoid多邊形模型，構(gòu)建了適應(yīng)模塊數(shù)量改變的普適性運(yùn)動(dòng)控制器表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了多種新型的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，例如類蚯蚓蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)和Serpenoid多邊形滾動(dòng)模式等，為鏈?zhǔn)綐?gòu)型機(jī)器人適應(yīng)環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)提供了運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)。
　　對(duì)于沒(méi)有或者難以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制器模型建立的構(gòu)型，如何自動(dòng)生成其運(yùn)動(dòng)模式，在模塊化機(jī)器人

5、領(lǐng)域仍然是有待研究的開(kāi)放性問(wèn)題。本文采用運(yùn)動(dòng)仿真與進(jìn)化算法相結(jié)合的機(jī)器人控制器參數(shù)離線優(yōu)化方案，首先設(shè)定典型構(gòu)型的控制器表達(dá)式與優(yōu)化變量，然后以仿真評(píng)價(jià)得出的適應(yīng)度值為判據(jù)來(lái)引導(dǎo)控制器參數(shù)向量的變化趨勢(shì)，從而在有限的時(shí)間內(nèi)得出滿意的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。為進(jìn)一步發(fā)掘模塊化機(jī)器人的多模式運(yùn)動(dòng)，提出了基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為空間稀疏度為自然進(jìn)化選擇標(biāo)準(zhǔn)（適應(yīng)度）的粒子群搜索算法，放棄運(yùn)動(dòng)搜索目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可搜索出高運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)步態(tài)的同時(shí)，還可發(fā)掘機(jī)器人豐富運(yùn)

6、動(dòng)模式的計(jì)算框架，針對(duì)不同模塊數(shù)量的毛蟲(chóng)構(gòu)型、蛇形構(gòu)型、十字構(gòu)型、四足構(gòu)型等典型構(gòu)型進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證算法的有效性。
　　基于控制參數(shù)搜索的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)化仍然需要人工設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器表達(dá)式，這種方式需要對(duì)機(jī)器人構(gòu)型及其幾何特征有一定程度的了解。因此針對(duì)任意構(gòu)型，控制器表達(dá)式及其參數(shù)的自動(dòng)生成（自建模），成為一個(gè)重要的研究課題。本文提出一種控制器表達(dá)式自動(dòng)生成與控制參數(shù)進(jìn)化相結(jié)合的自建模運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)化方法，將機(jī)器人構(gòu)型拓?fù)浣馕觥⒐δ?/p>

7、子結(jié)構(gòu)的控制器表達(dá)式自動(dòng)生成、同構(gòu)子結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系約束以及參數(shù)優(yōu)化搜索結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了任意機(jī)器人構(gòu)型協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)能力的一鍵式自動(dòng)生成功能。對(duì)多種構(gòu)型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示自建模運(yùn)動(dòng)進(jìn)化可以快速找到規(guī)則的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，從而在機(jī)器人構(gòu)型改變情況下為機(jī)器人提供快速適應(yīng)環(huán)境的能力。
　　為驗(yàn)證模塊化機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)進(jìn)化結(jié)果的有效性，建立了完整可靠的UBot模塊化機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)。采用空間方位信息比對(duì)算法實(shí)現(xiàn)了UBot實(shí)際機(jī)器人與仿真機(jī)器人

8、的構(gòu)型自動(dòng)識(shí)別與匹配，并將其集成到構(gòu)建的UBotSim平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)器人與實(shí)際機(jī)器人之間所見(jiàn)即所得的同步控制功能，為進(jìn)行快速實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供有力工具。進(jìn)行8模塊毛蟲(chóng)構(gòu)型和12模塊閉環(huán)構(gòu)型的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基于模型的可伸縮運(yùn)動(dòng)控制器規(guī)劃結(jié)果；針對(duì)基于參數(shù)優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)進(jìn)化和自建模運(yùn)動(dòng)進(jìn)化的幾種新型運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括四模塊毛蟲(chóng)構(gòu)型仿尺蠖運(yùn)動(dòng)，短十字構(gòu)型全關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，八模塊毛蟲(chóng)構(gòu)型行進(jìn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，四足和長(zhǎng)十字構(gòu)型的大跨度類對(duì)角步態(tài)