关于机器人自重构模块机器人
最后更新时间：2024-04-04
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论文导读：
摘要：介绍国外自重构模块机器人的研究现状。分析多种典型自重构模块机器人系统的模块构成、连接机制和自重构规划方法。指出自重构模块机器人研究的关健技术和需解决的现实问题。
关键词：模块机器人；自重构；重构规划
1007-9599 （2013） 01-0063-02
1 前言
自重构模块机器人由众多模块连接组成，模块能够自主改变结构配置以适应环境变化，满足不同任务要求。该类技术产生于20世纪80年代，主要特点表现在机器人的整体柔性、鲁棒性和自重构性。
自重构模块机器人研究的关键技术在于模块单元设计、连接机构设计和自重构控制算法。模块是构成机器人的基本单元，其构成、外形、体积、计算能力、通信方式、电源方案配置等各个因素直接影响机器人的整体特性。目前，国外自重构模块机器人技术研究取得了丰富成果。本文对其中具有代表性的自重构模块机器人系统进行综述，分析它们的模块构成、连接机制和自重构方法等关键技术和方法，指出模块机器人研究需要解决的现实问题。
2 国外自重构模块机器人研究现状
自重构模块机器人利用模块之间的连接和互换等操作改变自身形状，适应周围环境变化。其分类有很多种。按照维数可以分为2维和3维两类；根据拓扑结构可分为阵列式（晶格结构）和串联式（链结构）两类；
Rus等人提出了Crystal模块机器人模型P。其特点是：模块为正方形（二维）或立方体（三维）结构；研究者们建立了二维Crystal模块机器人物理模型，如图1所示。
日本产业技术综合研究所（AIST）的一个研究小组开发了M-TRAN自主变结构模块机器人P。M-TRAN模块结构如图4（a）所示，由一根连杆两端各连接一个具有半圆形侧面的立方体组成。连杆两端装有伺服电机，输出轴直接与立方体连接，能够驱动两个立方体按图中示意在180度范围内旋转。
3.2 模块连接机构设计。模块连接机构设计必须考虑连接/分离速度和连接可靠性，并考虑能耗成本。目前采用的连接机制主要有电—机械联接和电磁连接。连接机构一般被设计为有性别或雌雄共体（ATRON、PolyBot）方式。电磁连接一般采用永久磁铁或电磁铁，连接速度快，但是能耗较大。为获得快速、可靠、低能耗的连接机制，应探索使用储能装置（M-TRANII）、形状记忆合金（M-TRANII、PolyBot）以及其它有效的材料、机构和方法。研究通过模块间物理连接建立可靠有效的电源连接和通信连接，提高连接机构利用率。
3.3 自重构规划。自重构规划包括高层任务规划、中间层配置规划和底层路径规划。任务规划器针对具体环境和特定任务决定应当建立的结构；配置规划器决定在新结构中每个模块应处的位置；路径规划器决定如何将模块从当前位置移动至目标位置，其输出应为最优操作序列集。低层规划器相对高层规划器可以为黑箱结构，即高层规划器不必考虑低层规划器具体情况。
此外，自重构规划还需考虑模块和结构的平衡、负载能力、结构强度、结构建立的难易等问题。
4 自重构模块机器人技术需解决的现实问题
自重构模块机器人技术是一个新的研究领域，由于其研究起步不久，要开发实用的自重构模块机器人系统，仍面临许多待解决的问题，具体表现为：
（1）缩小模块和机器人体积。
（2）提高变形能力。自重构模块机器人理论上能够变形为任意形态，然而由于受硬件限制，当前自重构模块机器人系统的变形空间并不完备。
（3）提高自重构速度。自重摘自：毕业论文开题报告范文www.7ctime.com
构过程的快慢影响任务执行效率和机器人系统的实用性。当模块数量增加时，重构操作数量急剧增加，重构过程花费时间成为一个自重构模块机器人系统是否实用的重要约束。
（4）提高模块自修复能力。损坏的模块应能够进行自修复，保证系统整体鲁棒性。
（5）研究和简化机器人控制算法。由于机器人系统模块数量多，任务多，控制算法复杂，如何将任务细分，并形成泛化规则库，简化控制算法，还需进行深入研究。
（6）开发通用自重构模块机器人仿真软件。自重构模块机器人系统的设计具有较高的复杂性和难度，因此要在建物理模型之前先通过仿真设计模块、分析变形空间完备性、分析模块基本运动、各种重构操作、研究自重构规划算法、研究机器人整体运动控制有必要开发类似软件系统，减少研究工作量。
论文导读：gnition，locomotionandsplitting.IEEE/AETransactionsonMechatronics，2002.7（4）：418-430.http：//unit.aist.go.jp/is/dsysd/mtran/PrevasK，UnsalC，EfeM，KhoslaP.Ahierarchicalmotionplanningstrategyforauniformself-reconfigurablemodularroboticsystem.ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsan
5 结论
自重构模块机器人不同于固定结构机器人和一般的可重构机器人。它能够根据感知到的环境信息，自主地对自身模块执行一系列操作，再配置为新形态，以适应环境和满足执行特定任务要求。自重构模块机器人具有整体柔性、故障容忍能力和自重构性。其关键技术在于模块设计、模块连接机构设计和自重构规划。模块应该有基本的支撑、感应、执行、计算、通信、连接等功能，外形便于便在三维空间内配置为任意形态。模块连接机构可设计为有性别或雌雄共体方式，有较高的连接/分离速度和连接可靠性，并节约能源。自重构过程可采用集中控制或分布控制，将配置任务分解为任务规划、配置规划和路径规划三个层次。未来自重构模块机器人研究须做好缩小模块体积、提高模块性能、提高变形能力、加速重构过程、加强模块自修复能力、深化机器人控制算法以及开发通用仿真软件等研究。
参考文献：
RUSD，VONA，M.Crystallinerobots：self-reconfigurationwithcompressibleunitmodules[J].AutonomousRobots，200
[4]PrevasK，UnsalC，EfeM，KhoslaP.Ahierarchicalmotionplanningstrategyforauniformself-reconfigurablemodularroboticsystem[A].ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation[C].USA：IEEE，2002：787-792.
摘要：介绍国外自重构模块机器人的研究现状。分析多种典型自重构模块机器人系统的模块构成、连接机制和自重构规划方法。指出自重构模块机器人研究的关健技术和需解决的现实问题。
关键词：模块机器人；自重构；重构规划
1007-9599 （2013） 01-0063-02
1 前言
自重构模块机器人由众多模块连接组成，模块能够自主改变结构配置以适应环境变化，满足不同任务要求。该类技术产生于20世纪80年代，主要特点表现在机器人的整体柔性、鲁棒性和自重构性。
自重构模块机器人研究的关键技术在于模块单元设计、连接机构设计和自重构控制算法。模块是构成机器人的基本单元，其构成、外形、体积、计算能力、通信方式、电源方案配置等各个因素直接影响机器人的整体特性。目前，国外自重构模块机器人技术研究取得了丰富成果。本文对其中具有代表性的自重构模块机器人系统进行综述，分析它们的模块构成、连接机制和自重构方法等关键技术和方法，指出模块机器人研究需要解决的现实问题。
2 国外自重构模块机器人研究现状
自重构模块机器人利用模块之间的连接和互换等操作改变自身形状，适应周围环境变化。其分类有很多种。按照维数可以分为2维和3维两类；根据拓扑结构可分为阵列式（晶格结构）和串联式（链结构）两类；
Rus等人提出了Crystal模块机器人模型P。其特点是：模块为正方形（二维）或立方体（三维）结构；研究者们建立了二维Crystal模块机器人物理模型，如图1所示。
日本产业技术综合研究所（AIST）的一个研究小组开发了M-TRAN自主变结构模块机器人P。M-TRAN模块结构如图4（a）所示，由一根连杆两端各连接一个具有半圆形侧面的立方体组成。连杆两端装有伺服电机，输出轴直接与立方体连接，能够驱动两个立方体按图中示意在180度范围内旋转。
3.2 模块连接机构设计。模块连接机构设计必须考虑连接/分离速度和连接可靠性，并考虑能耗成本。目前采用的连接机制主要有电—机械联接和电磁连接。连接机构一般被设计为有性别或雌雄共体（ATRON、PolyBot）方式。电磁连接一般采用永久磁铁或电磁铁，连接速度快，但是能耗较大。为获得快速、可靠、低能耗的连接机制，应探索使用储能装置（M-TRANII）、形状记忆合金（M-TRANII、PolyBot）以及其它有效的材料、机构和方法。研究通过模块间物理连接建立可靠有效的电源连接和通信连接，提高连接机构利用率。
3.3 自重构规划。自重构规划包括高层任务规划、中间层配置规划和底层路径规划。任务规划器针对具体环境和特定任务决定应当建立的结构；配置规划器决定在新结构中每个模块应处的位置；路径规划器决定如何将模块从当前位置移动至目标位置，其输出应为最优操作序列集。低层规划器相对高层规划器可以为黑箱结构，即高层规划器不必考虑低层规划器具体情况。
此外，自重构规划还需考虑模块和结构的平衡、负载能力、结构强度、结构建立的难易等问题。
4 自重构模块机器人技术需解决的现实问题
自重构模块机器人技术是一个新的研究领域，由于其研究起步不久，要开发实用的自重构模块机器人系统，仍面临许多待解决的问题，具体表现为：
（1）缩小模块和机器人体积。
（2）提高变形能力。自重构模块机器人理论上能够变形为任意形态，然而由于受硬件限制，当前自重构模块机器人系统的变形空间并不完备。
（3）提高自重构速度。自重摘自：毕业论文开题报告范文www.7ctime.com
构过程的快慢影响任务执行效率和机器人系统的实用性。当模块数量增加时，重构操作数量急剧增加，重构过程花费时间成为一个自重构模块机器人系统是否实用的重要约束。
（4）提高模块自修复能力。损坏的模块应能够进行自修复，保证系统整体鲁棒性。
（5）研究和简化机器人控制算法。由于机器人系统模块数量多，任务多，控制算法复杂，如何将任务细分，并形成泛化规则库，简化控制算法，还需进行深入研究。
（6）开发通用自重构模块机器人仿真软件。自重构模块机器人系统的设计具有较高的复杂性和难度，因此要在建物理模型之前先通过仿真设计模块、分析变形空间完备性、分析模块基本运动、各种重构操作、研究自重构规划算法、研究机器人整体运动控制有必要开发类似软件系统，减少研究工作量。
论文导读：gnition，locomotionandsplitting.IEEE/AETransactionsonMechatronics，2002.7（4）：418-430.http：//unit.aist.go.jp/is/dsysd/mtran/PrevasK，UnsalC，EfeM，KhoslaP.Ahierarchicalmotionplanningstrategyforauniformself-reconfigurablemodularroboticsystem.ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsan
5 结论
自重构模块机器人不同于固定结构机器人和一般的可重构机器人。它能够根据感知到的环境信息，自主地对自身模块执行一系列操作，再配置为新形态，以适应环境和满足执行特定任务要求。自重构模块机器人具有整体柔性、故障容忍能力和自重构性。其关键技术在于模块设计、模块连接机构设计和自重构规划。模块应该有基本的支撑、感应、执行、计算、通信、连接等功能，外形便于便在三维空间内配置为任意形态。模块连接机构可设计为有性别或雌雄共体方式，有较高的连接/分离速度和连接可靠性，并节约能源。自重构过程可采用集中控制或分布控制，将配置任务分解为任务规划、配置规划和路径规划三个层次。未来自重构模块机器人研究须做好缩小模块体积、提高模块性能、提高变形能力、加速重构过程、加强模块自修复能力、深化机器人控制算法以及开发通用仿真软件等研究。
参考文献：
RUSD，VONA，M.Crystallinerobots：self-reconfigurationwithcompressibleunitmodules[J].AutonomousRobots，200
1.10（1）：107-124.
ZackButler，RobertFitch，andDanielaRusDistributedcontrolforunit-compressiblerobots：goal-recognition，locomotionandsplitting[J].IEEE/AETransactionsonMechatronics，2002.7（4）：418-430.
[3]http：//unit.aist.go.jp/is/dsysd/mtran/[4]PrevasK，UnsalC，EfeM，KhoslaP.Ahierarchicalmotionplanningstrategyforauniformself-reconfigurablemodularroboticsystem[A].ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation[C].USA：IEEE，2002：787-792.