毕业设计（论文）-Roombot机器人设计和仿真

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1、第一章绪论1.1课题的研究背景和意义随着机器人技术的不断进步，人们对机器人的工作能力和应用领域有了更高的期许，希望机器人能够代替人类去到诸如核电站检修、救灾搜索、深海勘探以及空间探测等更加复杂、更加危险的环境中完成工作，如图1所示。图1机器人应用这些工作环境的有一个显著的共同特质就是不可预知性，它们或地形复杂，或危机遍布，所需要的是一种能适应于各种不可知情况随机应变的机器人。一种设计的思路便是模块化机器人系统。所谓模块化机器人系统即是指将很多具有相似结构的模块化机器人有机地整合成一个整体，整体通过各模块机器人的协同

2、进行工作，因此也就具备了单个模块机器人所没有的功能，且整体随整合方式的不同而可以呈现不同的系统构型，这一特质赋予整体适应不同工作环境的能力，模块机器人系统可以根据工作环境而变化出优化的构型，而不再是以一个固定的结构去生硬地完成所有任务，系统的柔性大大改善。当系统中某个模块发生故障时，由于模块之间的相似性可以实现互相的替换，故工作任务不会因而中断，系统可靠性得到增强。因此可见，模块化的多机器人系统在解决高未知性的复杂任务时有着很多的优势和良好的应用前景，该领域也成为近二十年来机器人技术中新的研究热点。本文所探讨的自重

3、构模块机器人便是该领域的最新研究方向之一。1.1自重构模块化机器人简介自重构模块机器人是近二十年来提出的一个比较新颖的概念，对这一类机器人系统的研究正在逐渐升温成为热点，引起了科研人员的广泛关注，如图2所示。自重构模块机器人具有良好的系统柔性和环境适应性，因此在地震救援、战场侦察等机器人必须面对复杂多变环境挑战的领域内有着广泛的应用空间。自重构机模块器人是由一些具有简单功能的标准模块构成的，其中每一个模图2自重构机器人模块块就是一个自治的机械电子单元，它具有独立的运动、计算和通讯能力。大量功能相同、具有一定感知能力

4、的模块连接组合，就构成了自重构模块机器人，该机器人最突出的特点是能够无需外界的帮助，通过模块之间的主动连接或分离改变系统拓扑结构，以适应复杂的非结构性环境。1.2自重构模块化机器人的特点模块化的思想可以简化设计、降低制造成本，并可以增强机器人系统的功能多样性和鲁棒性。因此，与传统机器人相比，自重构模块机器人具有以下特性：图3模块化机器人系统在空间应用的举例(1)自重构功能：机器人能够根据环境和任务选择合理的构型，自主控制模块重构到目标构型以适应环境和任务需求，因此特别适用于未知的、不确定的和非结构化的环境；(2)自

5、修复功能：由于自重构机器人由许多标准模块组成，当其中某一模块发生故障时，可以通过重构功能利用功能相同的模块替换失效模块，从而保证任务继续执行；(3)功能可扩展性：由于组成机器人的各模块间具有相同的机械、电气接口，因此可以通过增减不同功能模块扩展机器人的构型和功能；(4)良好的经济性：由于组成机器人的模块结构简单、功能单一，尤其适合批量化生产，可以大大降低单个模块的制造成本。以上特点决定了一个非常适合自重构模块机器人的应用场景——空间应用，如果模块出现损坏或者故障，它可以通过自修复特性，用备用模块去替换损坏模块，以此

6、来保持整体结构和功能的完整性，这将大大提高系统的可靠性和使用寿命。相对于发送航天员到太空中进行人工修复传统的做法，这项应用有着不可比拟的优势。此外，自重构模块机器人系统可以压缩成紧凑结构以便于发送到空间，且同一自重构模块机器人系统能执行多种不同的任务，从这个角度出发，在空间采用自重构模块机器人还可以大大减少发射成本，如图3所示。1.3自重构模块化机器人的定义与分类Yim在其文章中对自重构机器人定义如下：自重构机器人由许多标准模块组成，依靠模块上的传感器感知周围环境信息，利用模块间的可连接性和互换性通过模块间的相互运

7、动、连接/分离改变构型，扩展功能和运动形式。对于自重构机器人存在多种分类方式，根据组成机器人的模块构型和功能是否相同，可分为均一性(homogeneous)和非均一性(heterogeneous)两类：均一性系统是指组成机器人的模块结构和功能完全相同；非均一性系统是指组成机器人的模块存在多种结构或功能不同的模块，各类模块在机器人重构、运动和执行任务时发挥不同的作用。根据自重构机器人模块连接的拓扑结构，可以将其分为阵列式，串联式和混合式三类：阵列式机器人模块的连接是以规则的网格结构为参照，类似于晶体中原子之间的方位关

8、系；串联式机器人模块以串联方式相互连接，构成不同的树状结构，其中可能包含闭环结构；混合式自重构机器人兼具阵列式和串联式的特点。1.4国内外自重构模块化机器人研究现状目前，国内外对于自重构机器人的研究主要体现在三个方面：自重构机器人模块设计，自重构机器人重构算法研究和自重构机器人的整体协调运动规划研究。本毕业设计主要为关于可重构模块化机器人模块设计，所以以下对