基于状态构形矢量和状态构形矩阵的可重构模块星球机器人构形

可重构模块星球机器人系统由母体和多个子机器人模块组成,单个模块可以独立运动和操作,多个模块可以重构组合成不同构形,模块采用非对称式轮手一体机构,具有姿态方位性和运动方向性,重构目的是组成在某种环境下更好地完成有向性运动的构形。基于此,提出矢量构形概念,将运动趋势方向和方位性融合到构形拓扑结构中。在模块矢量分析模型基础上,提出并构建状态构形矢量(State configuration vector, SCV)和状态构形矩阵(State configuration matrix, SCM),对非对称式单模块和整体构形的状态信息进行描述,同时支持预定义的数学变换操作,可以表达并触发模块的基础动作、构形重构。提出离散模块组合重构成目标构形的优化分析算法,通过实例仿真计算获得优化分析的选择结果。     

轮手一体机器人群体构形的模块化动力学建模方法

轮手一体机器人是一种模块化机器人,其单模块自由度多,结构相对复杂,群体构形形式多样,且需要经常重构以适应不同环境。采用传统方法对其进行动力学建模导致重复建模,机器人重构时更新量较多。针对此问题,提出一种基于模块化思想的群体构形动力学建模方法,减少了重复建模,且所得方程适用于串链、闭链、树形等各种拓扑构形。采用李代数作为局部坐标消除奇异位形,得到单模块机器人动力学方程的统一描述。根据群体构形的连接关系和连接类型定义接触集合和关节模型,建立约束力方程描述模块间的相互作用。针对动力学方程状态变量非矢量情况下的数值积分方法进行讨论,并给出实例仿真。     

基于模块智能的自重构机器人描述模型

自重构机器人拓扑结构的描述模型是建立自重构机器人系统和设计变形规划算法的基础。本文提出一种有序定点图及其关联矩阵作为描述模型 ,通过各个模块的局部感知信息来表达全局拓扑 ,可以有效表达整体系统中模块的位置关系、连接关系和失效模块的信息。本文建立描述模型的方法可以应用于各类同构模块化机器人系统     

可重构机器人单元组合的自同构研究

可重构机器人利用单元组合结构,可以提高环境适应性,改善机器人的使用性能,本文首先提出了一种新的可重构机器人单元结构模型,然后针对可重构机器人拓扑构形中所存在自同构问题,根据单元组合拓扑构形的邻接矩阵,提出了拓扑结点的关联属性及其关联度码的概念,在此基础上,提出了单元组合自同构的列举算法,以及同一拓扑构形特征下所有非同构单元组合状态的计算方法。最后对一拓扑构形实例进行了计算,计算结果表明,本文提出的自同构算法简便有效,使用灵活,可用于可重构机器人的单元组合结构设计。     

模块化可重构机器人的构形在线自主辨识

针对模块化可重构机器人(Modular reconfigurable robot,MRR)构形复杂多变的特点,提出一种基于上层数据库和底层接口电路相结合的构形在线自主辨识方法。以所研制的MRR系统样机为研究对象,介绍关节、连杆、基座和夹爪等四类基本功能模块的结构及特殊接口电路设计;考虑多模块组合运动形式的等效性,以及同类型关节模块在输出力/力矩方面的差异,改进MRR构形空间的计算方法。利用图论中树的相关理论,在定义同类构形生成树和同序构形树枝的基础上,建立MRR构形辨识的总体研究模型,包括同类构形生成树辨识、同序构形树枝辨识和边约束条件辨识三个部分。根据模型中各部分的具体辨识对象,通过构建基本功能模块的上层数据库,并结合底层接口电路的特殊设计,实现机器人在无人参与情况下的构形在线自主辨识。以MRR系统样机为试验平台,通过多次构形辨识试验证明该方法的可行性和有效性。     

基于任务的可重构模块机器人构形确定方法

可重构机器人为柔性加工系统提供了更多的选择,但复杂多变的任务、环境以及机器人模块无穷组合,为机器人构形的确定带来了很大的难题。采用遗传算法和迭代算法分两级搜索对机器人构形组合进行优化设计:运用遗传算法对机器人构形进行进化设计,满足工作空间的可达性、环境避障、线性和角度误差、末端操作灵巧度、运动关节的动力学要求、期望模块数目等性能指标要求。运用迭代算法对构形进行运动学逆解求解,计算空间工作点的可达性适应度。根据可装配的模块机器人及模块化思想,建立各个模块的速度、加速度等动力学表达式及相关修正公式,采用补偿迭代法来自动生成动力学方程,计算运动模块驱动性能的适应度。用专家经验对搜索得到适应度较高的构形进行修正,得到满足工作要求的机器人构形。最后给出实例验证。     

自重构机器人的拓扑描述和重构策略研究

为了完整描述自重构机器人整体结构的拓扑关系,提出了一种新的拓扑空间连接矩阵SCM。该矩阵通过模块间的连接状态以及单个模块的内架转角信息,能够自动识别系统中的运动支链并生成对应的运动学方程,为重构策略提供理论支撑。然后,根据单元模块的运动特点和主、被动连接面间的连接限制,文章结合SCM提出了一种无编号的分布式重构策略。将SCM与该重构策略相结合,可实现构型间的重构变换。最后,通过仿真实验,验证了该分布式重构策略的有效性。     

自重构模块化机器人的运动空间及自变形算法

设计一种新颖的同构式模块化自重构机器人系统,该自重构机器人系统的基本模块由1个中心体和6个旋转面组成.根据模块的运动特征及棋盘规则的约束,以Oxy平面为例,分4种情况,研究并归纳出该自重构模块化机器人系统的可能运动空间.利用当前构型重心和目标构型重心之间距离的函数作为驱动模块运动的启发信息,根据每个模块自身的可能运动空间,并结合模块对目标位置的逐步填充方式共同完成系统的自重构运动规划.为了能快速完成该类自重构模块化机器人的自变形任务,定义模块的优先运动系数,规定模块的填充原则,将逐步填充式自变形算法进行一定优化,得出该类自重构模块化机器人系统的自变形方法.最后给出一个16模块自重构机器人系统的变形仿真实例,证明上述方法的可行性.     

可重构机器人设计理论与研究

可重构机器人系统主要是由标准模块构成,模块和模块之间通过接口进行互联和通信,根据不同的实际需求,各个模块可以实现快速组合成不同的构形,故可以实现可重构,可以很好的满足工业化发展的现状,节约成本,高产高效,有效的提升企业的竞争力。本文对可重构机器人的设计理论进行了相关研究和讨论,从构形设计理论出发,以构形设计问题为主要对象,覆盖了涉及的各方面重要内容,构建了模型,对系统进行了优化设计,证明了构形设计方法的正确性和有效性。     

模块化自重构机器人的运动分析与仿真

在国外自重构机器人研究的基础上,设计开发了一种同构阵列式的模块化自重构机器人M-Cubes。此模块化机器人结构紧凑、运动灵活,模块间通过搭建成脚手架结构进行运动,可以组合成任意的构型。文章介绍了模块的脚手架结构运动方式,进行了运动学分析,推导出模块运动时的变换矩阵,并进行了逆运动学分析,说明了此脚手架结构的运动原理。在仿真平台上给出了一个4×2×2矩形阵列模块的平移仿真示例,验证了模块结构和运动方式的有效性。     

基于图论的可重构机器人构型综合

提出了一种简单而有效的可重构机器人构型综合方法,应用的理论基础是图论。为此,首先将可重构机器人的各模块抽象为积木块,这样,可重构机器人系统可用一个图来描述,基于图论原理和模块间的连接约束条件,得到模块所有可行的组合装配构型。利用该方法对一种由齿轮传动模块、齿条传动模块、带传动模块和平面连杆机构等4个模块组成的4自由度可重构机器人进行了构型综合,得到了它全部6种可行的装配构型,从而有效地完成了可重构机器人的概念设计。     

链式可重构机器人单模块结构设计与运动实验

提出了一种新型模块化链式移动机器人机构,它具有可重构、自动变形的特点。单个标准模块主要由中间通孔式连接手臂、履带驱动链传动装置、模块偏转锥齿轮传动装置、模块俯仰链传动装置、连接柄等组成。模块间由偏转关节、连接柄、连接臂和仰俯关节进行连接组合。为提高单个模块的机动性和实现运动自主功能,对标准模块进行了适当改进,单模块机器人采用了履带、轮、臂、腿组合的移动机构,具有三维空间的运动能力。最后对单模块机器人样机在垂直壁障碍、平地支腿、平地转弯、斜坡、楼梯等情况下的运动能力进行了实验,为进一步实现多模块机器人的自重构和环境应用打下了基础。     

ANALYSIS OF TIPOVER STABILITY FOR NOVEL SHAPE SHIFTING MODULAR ROBOT

A novel three-module robot has been introduced. It can change its configuration to adapt to the uneven terrain and to improve its tipover stability. This three-module tracked robot has three kinds of symmetry configuration. They are line type, triangle type, and row type. After the factors and the countermeasures of mobile robot's tipover problem are analyzed, stability pyramid and tipover stability index are proposed to globally determinate the mobile robot's static stability and dynamic stability. The shape shifting robot is tested by this technique under the combined disturbance of pitch, roll and yaw in simulation. The simulation result shows that this technique is effective for the analysis of mobile robot's tipover stability, especially for the reconfigurable or shape shifting modular robot. Experiments on three symmetry configurations are made under unstructured environments. The environment experiment shows the same result as that of the simulation that the triangle type configuration has the best stability. Both simulation and experiment provide a valid reference for the reconfigurable robot's potential application.     

可重构机器人单元结构设计及组合特性分析

建立了可重构机器人的一般化模块单元结构模型,定义了单元的组合表面,根据单元模型的几何外形和组合面的几何对称性,对其组合特性进行了分析。在此基础上,针对机器人转动关节的结构和运动特点,分别建立了摆动单元和旋转单元的可重构模型,同辅助单元共同组成可重构机器人系统的基本组合单元,并根据单元的几何结构,利用组合数学理论分别对其组合特性进行了研究。最后,利用这3种基本单元组合装配了一种与实际系统相对应的五足步行机器人,表明提出的可重构单元具有一定的可行性和实用性。     

5自由度大工作空间/支链行程比混联机械手的概念设计与尺度综合

研究一类新型5自由度可重构混联机械手的创新设计和尺度综合问题,该机械手模块由-2自由度球面并联机构和一条通过滑移副与之串接的两转动-移动串联运动链组成.该混联机械手由于将定点转动与相对滑移运动解耦,因此具有工作空间/支链行程比大的特点,适合高速轻载作业,可作为即插即用模块用于搭建不同类型的加工制造装备.在建立2自由度球面并联机构的速度映射模型的基础上,分析该机构的奇异性和各向同性问题,并以速度雅可比矩阵最小奇异值的全域均值为操作性能指标,研究2自由度球面并联机构的尺度综合问题.通过单调性分析揭示出尺度参数对该指标的影响规律,进而将尺度综合问题简化为求解杆长等式约束问题.最后给出一组算例,使该尺度综合方法的有效性得到验证.     

并联机器人机构构型创新设计研究

提出一种并联机器人机构构型创新设计新方法——桁架推演法,该方法包括三个主要步骤：根据具体设计需求选择自由度为0的并联机构桁架,并选择适当的推演规则;在一定的约束条件下对桁架进行推演;对推演结果分析、判断和决策,得到新并联机构构型。最后举例说明了桁架和推演规则等对并联机器人机构构型创新设计具有决定性影响的关键技术问题。     

新型模块化可重构机器人系统

研制了一种新型模块化可重构机器人系统,机器人由许多结构和功能完全相同的模块相互联接组成,通过改变各模块之间的联接状态和相互位置关系,不需任何外界辅助,自动完成重构过程和整体协调运动:设计了模块的分离联接机构和单自由度立方体结构,模块结构兼具阵列式和串联式特点,可方便的实现重构运动和整体协调运动:上位机软件系统可通过交互方式设置各机器人模块的方位,可手工编写或自动产生可重构机器人各模块的运动序列,可对机器人可重构过程和整体构型的协调运动进行规划和仿真,并通过计算机串口对机器人进行实时控制。试验验证了机器人模块的分离／联接和模块协作基本功能和蠕虫构型、四足构型、履带构型三种构型的整体协调运动功能。试验表明:模块结构设计简单合理,控制容易,可以完成重构操作功能和整体协调运动功能。