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博士学位论文


基于晶体结晶理论的模块化自重构
机器人重构策略的研究

RESEARCH ON RECONFIGURABLE
STRATEGY OF MODULAR
SELF-RECONFIGURABLE ROBOT
BASED ON CRYSTAL’S
CRYSTALLIZATION THEORY


任宗伟











2009 年 1 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开





工学博士学位论文


基于晶体结晶理论的模块化自重构
机器人重构策略的研究
















博士研究生:任宗伟
导师:赵杰教授
申请学位:工学博士
学科:机械电子工程
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2009 年 1 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering



RESEARCH ON RECONFIGURABLE STRATEGY
OF MODULAR SELF-RECONFIGURABLE ROBOT
BASED ON CRYSTAL’S CRYSTALLIZATION
THEORY





















Candidate: Ren Zongwei
Supervisor: Prof. Zhao Jie
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defense: Jan, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
自重构机器人是由多个模块化机器人单元组成的复杂分布式系统。这些单
元能够重新排列构成不同的结构从而适应其所面临的任务。该类机器人具有可
扩展性、机器人构形多样性及对环境任务自适应性等诸多特点。特别适合于环
境未知、执行任务变化的场合。由于自重构机器人是由许多模块组成,模块间
存在多种组合形式,在研究自重构规划策略的同时也为人工智能搜索算法的研
究提供了实验检验平台。故而开展模块化自重构机器人方面的研究工作对提高
我、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论与现实意
义。相应地,此种机器人的提出在机器人本体结构设计、自重构理论和运动规
划层面上也带来了新的问题及挑战。
自重构机器人本体是研究自重构机器人相关内容的基础,它的结构特征直
接影响自重构理论模型的建立及机器人运动的形式。本文在分析晶体基本组成
单元晶胞的结构特征及自重构机器人所需功能的前提下,研制了一种单转动自
由度立方晶胞单元模块,该类模块的两个“L”形构件依靠舵机连接在一起。模块
有主动模块与被动模块之分,主动模块与被动模块间采用直流减速微电机与旋
转钩孔的平面自锁连接机构实现连接。为了清晰直观地获知机器人构形的整体
结构,采用拓扑学理论描述机器人的构形。而在计算机处理机器人构形信息时,
采用一个含有 10 个元素的数组描述单个模块的空间方位,利用节点连接表和拓
扑连接表记录构形中存在的连接及连接方位,可准确地描述机器人的空间位姿
及模块间的连接关系。
自重构机器人自重构理论是其重要的研究内容之一,同时也是影响自重构
机器人能否应用到实际生活中的重要因素之一。为了利用晶体结晶理论清晰直
观地描述自重构机器人的自重构过程,在对晶体结晶过程与自重构过程之间的
相似之处进行分析对比之后,本文对自重构机器人的仿结晶自重构过程进行了
分析:在构建目标构形过程中,首先确立生长中心、模块方位转换中心及模块
放置中心,然后借助于晶体结晶层生长理论确定目标构形的生长过程,最后利
用模块组辅助单个模块完成模块的传送和方位转变的过程。同时,本文建立了
面向立方晶胞机器人系