模块化自重构多机器人系统自主对接关键技术研究

admin · 发表于 2024-2-29 15:18:56

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如何将模块化自重构多机器人(MSR)系统的研究成果应用于野外环境中，是机器人学近年来的研究热点之一。模块之间自主对接的实现方式又是其中的研究难点，也是制约MSR系统进入实用阶段的重要因素。这主要受制于两个主要技术环节： 缺乏能够适用于多维大偏差对接环境的实用对接机构； 自主对接路径规划算法的研究不足。上述技术环节之所以成为难点，原因在于MSR系统较小的结构空间和多变的组合构形，使得传统的对接机构和位姿传感器系统，以及对接路径算法无法移植于MSR系统之中。此外，迄今为止，机器人在野外环境的对接过程尚缺少科学的数学描述方法，换言之，即在评价对接位姿的偏差时尚无适当的数学模型依据，面对多维大偏差对接机构的设计和优化时，很难给予客观的指导和评价。针对上述研究现状和难点，本文在国家高科技研究发展计划（863计划）（2006AA04Z241）“小型野外移动多机器人自重构技术研究”的资助下，对MSR系统的多维大偏差刚性对接展开了一系列的研究工作，从对接偏差一般模型、位姿偏差评价指数、多维大偏差刚性对接机构设计方案、多机器人系统的体系架构、等信号线穿越自主对接算法等五个方面进行了较为深入探讨和实验验证，其中主要的研究工作总结如下：第一，对接位姿偏差一般模型及评价指数的建立。首先采用旋量工具对三维对接的物理过程进行描述，建立对接旋量转换矩阵，并构造对接位姿偏差一般模型和评价指数，对该偏差模型和评价指数的性质进行了归纳；提出了基于主动球铰的姿态偏差解算方法，对位姿偏差的各种情况进行了归类分析；并使用该评价指数对目前常用的对接导引方式进行了评估。第二，多维大偏差刚性对接机构的设计以及分析。提出了多维大偏差刚性对接机构的设计方案，该机构集成混联调姿机构、组合导引机构于一体，可在相互位姿偏差较大的情况下，通过主动调姿和强制导引完成对接。此外本文对该机构的运动学、静力学和动力学特性进行了较为深入的分析。第三，基于主动球铰关节的野外移动模块化机器人系统的研制。以多维大偏差刚性对接机构作为连接关节，组建了JL-2模块化野外移动机器人系统。该系统的特点是采用主动球铰作为转换关节。经实验证明，机构满足野外复杂地形较大位姿偏差的刚性对接，且在完成对接后仍保持原有的重构机能和任务执行功能。第四，基于等信号测姿的自主对接算法。首先对自重构机器人系统使用的测姿系统的特点进行分析，提出了等信号测姿系统以及基于等信号线测姿的自主对接算法，并通过仿真和实验对该算法进行了验证，证明该算法较好的适用于对角度敏感且性能稳定的中低精度的对接系统。

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