Mechanism design and motion planning of M-Cubes robot

A homogeneous and lattice self-reconfigurable robot module is designed, and each module is composed of a center body and six connection planes which can independently rotate. A module can independently connect or disconnect with other modules, and then change its connection by collaborating with other modules. We discuss how to describe and discover configuration of robot. Furthermore, we describe its motion planning based on the appraisal function and the adjacency matrix which is effective to solve the computationally difficult problem and optimize the system motion path during the self-reconfiguration process. Finally, a simulation experiment is demonstrated, which verifies the correctness of locomotion method.     

自重构机器人的硬件设计及自重构规划研究

设计了一种新型的单转动自由度正立方体均一阵列式三维自重构机器人模块结构,不但可以构成稳定的空间填充结构,而且能够实现多种重构运动形式.介绍了具体的机构原理和模块的构形表达及运动描述方法,提出了一种基于正立方体子单元结构的集中式分层规划方法,每个子单元由8个模块构成,内置离线规划的模块运动序列数据库,并通过自重构仿真实验,验证了该方法具有搜索空间小,求解复杂度低,规划效率高等特点,在规划串式结构的自重构问题时是可行的.     

同构阵列式自重构机器人的设计和变形策略

设计了一种同构、阵列式自重构模块机器人,其特点为结构紧凑、运动灵活.每一个模块可以单独地与其他模块相互分离或连接,通过与其他模块合作改变自身的连接.讨论了如何描述机器人的位形,并提出了一种建立在评价函数和邻接矩阵基础上的变形运动方法.该方法有效地降低了系统的计算量,减少了运动步数.利用Java 3D验证了所提出运动算法的可行性和合理性.     

混合型自重构机器人的结构设计及运动描述

设计了一种新型的混合型自重构模块化机器人.该机器人由多个相同的呈三棱柱状的主从式基本模块组成,每个主模块包括3个主驱动电动机及齿轮传动装置,每个从模块包括2个从驱动电动机及齿轮-齿条传动装置.根据齿轮、齿条不同运动速度,分析了该自重构机器人相邻2个基本模块中从模块的轴插入主模块的孔中完成对接动作的过程.基于基本模块的几何特征,描述了该自重构机器人的基本空间构型,最后仿真实现了该机器人从直线型变形为正六边形的过程.仿真结果表明,混合型自重构机器人基本模块结构设计紧凑,能对接和脱离,实现机器人的变形过程.     

机器人在时变环境中的运动规划

时变环境中的避障运动规划是当今智能机器人领域中的一个重要研究课题.木文根据运动状况可分解描述为路径轨迹和速度函数的思想,提出了解决运动规划问题的二层机制.上层是路径规划.即就工作环境中的静态障碍,规划一条避障的最短距离路径;下层是速度规划,其任务是选择机器人沿着已规划路径运动的速度(加速度),以保证它避免与动态障碍物相撞。     

Docking process on hybrid self-reconfigurable modular robots

A novel hybrid self-reconfigurable modular robot is designed to finish the morphing action from line shape to hexagon shape.The robot is composed of many basic modules,each of which consists of a master module and a slave module in the shape of triangular prism.There are four connection ports on each basic module.For the master module there are two holes on each connection port,and for the slave one there are two pegs on each connection.The docking process between two neighboring basic modules is analyzed with a peg-in-hole mechanical structure.A small motion' s method is presented and the contact forces are derived.According to the force/moment,the pose of a motion module should be adjusted to make two neighboring modules align and finish the docking process.Finally,a simulation of 3 basic modules is shown to finish the morphing and docking process effectively.The system can finish the morphing task from the line shape to the hexagon shape.     

M~2Sbot自重构机器人系统的拓扑自动表达

本文基于M2Sbot自重构机器人系统提出了拓扑构型的自动表达方法.根据单元模块本身的机械结构特性,对其进行了拓扑构型的简化,定义了各连接面与空间角度信息;分析了模块间可能的连接与连接方位,以有界深度优先搜索算法实现整体系统逻辑地址的自动定义,空间信息的自动描述以及系统中连接信息的自动表达.该表达方法能够准确描述自重构系统的连接信息与空间位姿,克服了现存的拓扑表达方法在存在回路的构型表达中的无解难题,为系统的重构算法与运动控制算法研究提供了一定的理论基础.     

机电一体化机器人关节及其驱控系统硬件设计

机器人关节模组是机器人的关键部件,目前传统机器人关节模组具有关节构型固定,功能单一,不开源开发接口,智能化程度低,无法快速重部署等一系列问题.针对以上问题,设计出一种高度集成的机电一体化机器人关节模组,将机械结构、控制、驱动、通讯等功能集于一体.该关节模组可以在完成机械连接的同时完成电气连接,组装后可方便启动关节并配置各个关节的关键参数;采用基于多传感器反馈的智能化控制技术,可以采集关节内各类数据供用户分析,并作为控制系统的实时反馈;模块化的设计容许用户可以根据具体任务要求灵活使用该机器人关节模组,快速改变模组之间的排列方式,进行构型重部署,快速搭建各种构型机器人,实现机器人设计的定制化和智能化.     

水下自重构机器人Kane动力学建模方法

针对水下自重构机器人构形多变且外部环境复杂等特点,提出了一种通用的、基于构形描述及Kane动力学的建模方法.利用图论中关于拓扑结构的描述方法,建立水下自重构机器人多种拓扑构形的统一数学表达,再结合Kane方法,在模型中加入水下各种外部环境作用力,最终建立封闭的水下自重构机器人运动方程.通过典型构形的建模实例,证明了该方法的可应用性和有效性.
     

基于改进TEB算法的阿克曼机器人运动规划系统

TEB(timed elastic band)算法通过修饰全局路径规划生成的初始轨迹来优化机器人轨迹,得到一条满足机器人运动学动力学约束,避开障碍物,时间较优的轨迹。加速度的变化率过大会使机器人底盘电机输出的力矩突变引起机器人受到冲击震荡,加加速度的约束可使加速度的变化率限定在一个合理的范围,在TEB方法中缺少加加速度约束的基础上,对原始TEB算法进行改进,在轨迹优化过程中构建了具体的加加速度的约束,并在Stage仿真平台对改进TEB算法进行了仿真和在真实的阿克曼机器人上进行了实现,实验结果表明:得到的轨迹满足运动学、动力学,避开障碍物的要求而且平滑,真实机器人运动平顺。可见,改进的TEB算法适用于阿克曼机器人,规划的轨迹效果较好。     

结合启发式函数的随机运动规划方法

为有效解决位姿空间中存在狭窄通道的运动规划问题,提出一种结合启发式函数的随机运动规划方法。建立了人工势场函数,沿势场等势线方向的启发式函数避免了局部极小值问题。启发式函数与随机规划方法结合,能够引导机器人避过障碍物快速朝目标点运动。人工势场在局部极大值和最速下降方向方面的特殊性质进一步优化了算法。平面内机器人运动规划的实验表明,与原有单纯随机规划方法相比,这种结合启发式函数的随机运动规划方法在狭窄通道规划问题上性能有明显提高。     

基于Bézier曲线的差速驱动机器人混合避障路径规划算法

为实现差速驱动机器人在避障环境下的平滑最优路径规划, 提出一种基于Bézier曲线的差速驱动机器人混合避障路径规划算法. 首先, 建立差速驱动机器人运动模型, 用于操控左右两个驱动轮线速率, 完成机器人转弯及非匀速运动; 其次, 利用Bézier曲线描述路径状态, 将路径规划问题转换为产生Bézier曲线有限点方位优化问题, 提升机器人的运动平滑性; 最后, 引入遗传算法将二维路径编码简化为一维编码问题, 将路边约束、 动态避障需求及最短路径需求混合成适应度函数, 使机器人尽快脱离局部极小解, 成功绕过障碍物抵达目标点. 仿真实验结果表明, 该方法的避障路径规划效果较好, 避障路径距离为30.19 m, 且避障用时低于对比方法, 最长避障用时为5.3 min.     

自由漂浮空间机器人动力学建模与仿真研究

空间机器人相比固定基座机器人,增加了6个自由度,且空间机器人的机械臂与基座之间存在动力学耦合问题。因此,其动力学建模较为复杂。针对自由漂浮空间机器人系统进行了运动学和动力学方程的推导,给出了动力学方程求解的详细算法,并采用Spacedyn工具箱对动力学模型进行了数值仿真。仿真结果表明建立的动力学模型可方便的进行自由漂浮空间机器人的运动分析。     

SLAM仿真系统在智能移动机器人中的应用研究

为实现机器人的自主导航,采用了SLAM三层结构的仿真模型,通过对产生环境地图和实体对象程序的设计,并采用面向对象的设计方法,模拟了一种基于MATLAB的SLAM仿真系统,借助于对内部和外部传感器的数据采集文件的模拟应用,同时完成了机器人的定位和环境地图的构建.     

好奇心驱动的深度强化学习机器人路径规划算法

针对采用深度强化学习算法实现机器人路径规划任务中,训练前期随机性高导致奖励难获取问题,提出内在好奇心驱动的深度确定性策略梯度算法对连续型动作输出的端到端机器人路径规划进行研究。将环境获取的感知信息作为输入状态,输出机器人动作(线速度、角速度)的连续型控制量,在Gazebo仿真平台进行训练并验证。实验结果表明,基于内在好奇心驱动的深度确定性策略梯度路径规划算法可以较好地实现端到端的机器人路径规划,并且有利于解决训练前期奖励难获取问题,与离散型动作输出的深度Q学习网络模型进行了对比分析,结果表明本文算法决策控制效果更优越。在真实环境中进行了验证,在静态障碍和动态障碍的场景下,所提出算法可成功到达目标点。     

水下自重构机器人的自动对接控制

讨论了平面内水下自重构机器人的2个模块间的对接控制问题. 根据传感器信号强度与模块相对坐标的误差之间的关系,给出了对接控制问题的优化目标函数. 考虑到模块的运动学方程可逆,将该问题分解成了3个自由度上的子优化问题. 依据对中法思想,给出了各自由度上自动搜索的优化目标函数,并设计了相应的调整控制律. 建立了模块的逆运动学离散方程,并设计了一种稳定化修正格式以提高数值计算精度. 仿真实验结果表明,所提出的自动对接控制算法能够很好地实现模块之间的对接.     

滚-跳多运动模式球形机器人的动力学仿真研究

复杂的探索环境对探测机器人的通行能力提出了更高要求,具有多种运动模式的球形机器人是探测机器人领域的研究热点之一。通过对球形机器人内部构件质量分布的调节,设计了一种基于单摆驱动式的滚-跳多运动模式球形机器人,其具有滚动、转向、爬坡与跳跃4种基本运动能力;随后,又根据球形机器人的设计方案建立了球形机器人4种基本运动动力学方程。利用Automatic Dynamics Analysis of Mechanical Systems （ADAMS）软件构建该球形机器人虚拟样机并对其进行了滚动、转向、爬坡与跳跃的动力学仿真,最后以此为依据计算滚动、转向、爬坡与跳跃运动性能的仿真值,并制作实验室样机验证了动力学仿真的正确性。     

基于旋量理论的上肢康复机器人Kane动力学方程

引入基于旋量理论的运动旋量、力旋量及偏速度旋量等概念,推导得出五自由度上肢康复机器人的Kane动力学方程.结果表明,采用旋量理论分析机器人更加简明有效,比建立局部坐标系的D-H法更简易.Kane方程的求解只需加、减、乘运算,与拉格朗日、牛顿-欧拉等非线性动力学方程相比,计算效率更高,更易于实现实时控制.通过仿真研究了机器人各关节从初始位形到准备位形的角位移、角速度、角加速度以及驱动力矩,验证了基于旋量理论的Kane方程的正确性和有效性.     

Two-grade search mechanism based motion planning of a three-limbed robot

A novel three-limbed robot was described and its motion planning method was discussed. After the introduction of the robot mechanical structure and the human-robot interface, a two-grade search mechanism based motion planning method was proposed. The first-grade search method using genetic algorithm tries to find an optimized target position and orientation of the three-limbed robot. The second-grade search method using virtual compliance tries to avoid the collision between the three-limbed robot and obstacles in a dynamic environment. Experiment shows the feasibility of the two-grade search mechanism and proves that the proposed motion planning method can be used to solve the motion planning problem of the redundant three-limbed robot without deficiencies of traditional genetic algorithm.     

小摆角两轮机器人动力学建模及控制器设计

针对现有两轮机器人转弯速度较低问题,提出一种可轴向摆动的新型两轮机器人设计方法. 该方法使用连杆控制机构摆动来调整机构的重心分布,实现机器人在小转弯半径条件下稳定运动的目的. 基于拉格朗日方程方法,对机器人的小摆角自由度进行了动力学建模与分析,得到了系统动力学模型,并在此基础上设计了一种状态反馈控制器. 运用Matlab/Simulink进行控制器系统仿真,验证了控制器在机器人稳定控制方面的有效性. 结果表明,该两轮机器人机构设计思路及运动控制手段可有效提高系统运动稳定性.