自重构机器人具有结构可变和功能多样的优点,因此在危险区域侦察、救灾和太空探索等领域具有不可估量的应用前景,是当前机器人研究的热点。然而自重构机器人的优点须由多个模块组合才能体现,组合的规模越大,其结构和功能的多样性越高。自重构机器人有链式机器人和晶格式机器人两种基本类型。相对链式机器人,晶格式机器人更易组成大规模系统,更能体现自重构机器人的优点,但传统的晶格式系统只能进行单一、低效的流水式运动,在不进行重构的情况下,无法进行整体运动。为解决此问题,本文提出并研制了一种晶格畸变驱动自重构机器人系统,该系统可通过局部晶格畸变驱动实现整体运动。同时,以此系统为研究对象,系统地研究了自重构机器人的晶格畸变驱动原理、模块单元实现技术、构形优化方法和运动控制策略。1.为解决晶格式机器人不能像链式机器人一样进行多模式整体运动的问题,提出了通过局部晶格畸变驱动实现机器人整体运动的方法。首先,基于自重构机器人拓扑结构特点和晶体晶格形式,确定了以立方体作为可变形晶格的静态形式。然后,根据章鱼臂的机构模型,将立方体晶格并联机构化并利用旋量集方法分析了其机构自由度。在此基础上进一步提出了晶格畸变驱动的规则,分析了晶格畸变的运动学特性,指出了实现畸变驱动的晶格相当于一个“PRP”(Prismatic-Rotati on-Prismatic)运动链且能起到旋转关节的作用。具有畸变驱动功能的晶格为机器人整体运动奠定了机构基础。2.基于自重构机器人模块的结构特点、晶体的晶胞对称性指标和晶格畸变驱动的新要求,提出了晶格畸变驱动自重构机器人模块单元实现的原则。基于所提出的原则,设计了一种晶格畸变驱动自重构机器人系统——LDSBot(Lattice Distortion Self-reconfigurable Robot)的模块结构,并分析了此模块的自重构运动和由此模块组成晶格的畸变运动。通过分析由多个可畸变驱动的晶格组成的混联机构的工作空间,证明了LDSBot系统具备通过整体运动完成任务的能力。3.针对构形中冗余模块过多、自重构机器人自身负载过大而难以整体运动的问题,提出了任务导向的晶格畸变驱动自重构机器人构形优化方法。此优化分成两步,首先,根据晶格的运动学描述,面向给定的任务,利用遗传算法进行机构综合,得到运动关节最少的机器人构形。然后,基于模块强度策略,利用KNN法对模块进行分类和取舍,得到模块数最少的构形。通过优化,减少了构形中的冗余模块,从而降低了机器人的自身负载。4.针对因构形中模块和环路多而引起的运动控制过于复杂的问题,受章鱼的神经控制系统启发,提出了适用于晶格畸变驱动自重构机器人的仿生双层运动控制策略。首先,基于LDSBot的模块结构和图论的邻接矩阵提出了一种新的构形描述模型。该模型的优点是不仅可以描述模块的位置,而且还能描述模块的姿态。此优点为结构高度对称的模块角色识别奠定了基础。然后,上层的主模块发送命令,下层的属模块按接收信息的顺序确立父子关系,整个构形生成一个树,从而解决了构形中存在大量环路的问题。最终,每个模块根据任务命令和自己的连接状态,动态地决定自己的运动角色,并在自己的知识库中选择相应的动作去执行,从而使得机器人产生整体动作。5.针对通用的动力学仿真软件无法完成大规模自重构机器人动力学仿真的问题,基于动力学仿真引擎Vortex、Physx和渲染引擎OSG开发了虚拟现实动力学仿真平台——TRIME(Three-dimension Robot In Mechanics Enviroment)。通过对大规模机器人系统的仿真,验证了本文所提出的构形优化方法和运动控制算法的有效性。同时制作了LDSBot模块,通过实验验证了模块重构运动和晶格畸变运动的可行性。