模块化自重构机器人是一种由许多功能相对独立,并且具有一定感知能力的机械电子模块组成的机器人,它不需要外部帮助,能够根据变形任务和周围环境的变化而自主地改变自身的结构配置,以最佳构形去完成不同的操作任务,不但扩大了机器人的应用范围,更由于模块的均一性和互换性降低了制造及维护成本,提高了机器人的可靠性和可扩展性.这类机器人在危险、未知和非结构环境运行具有很大优势,比如空间、海洋、军事侦察、废墟营救、核电站维修.对于相同环境下,要求完成不同的任务也非常适合,比如火星探索.开展模块化自重构机器人的研究对于提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论和现实意义. 模块硬件原型的设计和变形策略的研究是模块化自重构机器人的两个主要的研究领域.模块硬件的设计决定了模块之间的连接方式、变形规则、运动策略等各个重要方面,对于运动空间为三维的自重构机器人而言,模块要求具有一定的空间对称性和规则的几何形状,并且具备足够多的自由度,以提高系统的运动及自重构能力,简化控制方法.为此,提出并研制了一种运动空间为三维,模块外形类似立方体,运动方式为阵列式,每一个模块具有12个自由度的同构自重构机器人.每一个模块利用连接面上销和孔组成的自动锁定装置,通过与相邻模块间的交流和通讯,可以独立自主实现与相邻模块间的连接、分离.由多个相同模块组成的M-Cubes自重构机器人系统.通过模块之间的相互配合,改变它们之间的连接,形成空间任意结构.从而整个机器人系统可以获得不同的三维结构和各种静态构形.此外,模块的结构简单,制造方便,控制容易. 在自重构机器人结构设计中,有很多关键技术,比如如何保证模块之间正确的对接、满足什么条件,以及外界因素会对模块运动产生什么样的影响.由于两相邻模块的连接处是比较薄弱的环节,并且又是主要承载的地方,如果材料强度不够,在受力变形的情况下,会出现模块之间的失效连接.因此,我们根据模块在对接过程的运动特点和受力情况,对模块的变形情况进行了有限元分析.通过对变形结果的分析,提出了模块可靠、有效、正确对接所遵循的条件,为M-Cubes机器人系统能成功地完成自重构运动提供了有效的指导. 自重构机器人变形过程是通过不断改变模块之间的连接方式实现的.为了简化变形过程中运动规划和控制算法的复杂程度,首先需要找到一种足够简单同时又能准确无歧义地描述系统的模型.本文提出一种通过局部感知信息来获得与相邻模块的连接状态,利用深度优先搜索和特征向量矩阵来确定和描述系统中每一个模块的具体位置和整个系统的拓扑结构,给出了一种判断两个不同的特征向量矩阵是否为同一个拓扑结构的方法,为系统以最佳构型完成变形任务提供一个有效的途径. 自重构机器人是由众多模块组成的非线性复杂系统,非线性造成的计算复杂性,使得传统的控制算法难以解决机器人的运动规划问题.本文提出了一种由连接规划和路径规划相互配合的变形运动策略.连接规划是在对模块进行数学描述的基础上,根据路径规划的要求,产生一系列模块连接关系的有序改变.路径规划是在受到周围环境的物理条件和模块自身的客观条件限制的基础上,选择可靠、有效的运动轨迹,寻找从初始位形到最终位形的最短距离,有机协调各个模块每一步的连接顺序.此方法有效地解决了模块在自重构过程中计算量大的棘手问题,优化了系统在变形过程中的运动路径.最后利用遗传算法对路径规划的第一个运动阶段,即随机运动阶段进行了优化.仿真试验验证遗传算法有效地提高了机器人整体运动性能,表明了该方法的可行性和有效性.