目前,模块化机器人已经成为了机器人领域十分热门的研究对象。通过改变多个模块间的连接组合方式,一组模块化机器人可以形成不同的模型构型以适应复杂多变的地理环境或执行不同的任务。例如,当几个模块化机器人遇到超过单个模块尺寸的障碍时可以将几个模块组合成串联的蛇形构型以跨越障碍,这种改变构型的动作既可以依靠模块化机器人自我规划也可借助外力干预来完成。或者当一组模块化机器人遇到重量超过单个模块有效载荷的物资时,可通过组合成矩阵阵列式构型来实现集群负载力的提升。为了探索模块化机器人在实际应用中的问题,本文将从可重构模块化机器人的控制系统设计原则,对接机构通信试验与末端轨迹能量优化,多模块机器人系统的聚合收敛三个方面的问题进行研究。(1)稳定、低时延、支持多任务进程的控制系统设计原则:针对可重构模块机器人的工作特点,本文分析了模块机器人在执行任务时对控制系统的需求,总结了可重构模块机器人控制与操作系统的三个设计原则:较高的实时性响应、稳定可靠、具备多任务执行能力。依照以上原则对机器人所需的通信总线方式进行分析选型,采用CANopen作为对接机构与控制系统数据交互的通信方式。控制系统载体选用凌华IB915AF-6600嵌入式主板,操作系统选用ROS(机器人操作系统),对接机构驱动器选用ADM驱动器,关节电机采用无框力矩电机作为驱动机构运动的力矩来源。优化底层数据收发结构,提高通信实时性。对模块机器人控制系统进行上下层逻辑划分,降低不同硬件间的数据通信耦合性以提高系统稳定性。(2)对接机构通信试验与末端轨迹能量优化:针对对接机构在运动过程中所产生的能量消耗问题,本文遵循先物理样机组装调试,后理论仿真分析的思路开展研究。在完成驱动器PID参数调试后对机构进行基于拉格朗日方程的动力学建模,并建立以机械能与电机铜损耗为主的机构能量消耗模型。通过对比传统五次多项式末端轨迹方程与傅里叶方程对机构进行耗能分析,得出对接机构在运动过程中的电流与加速度变化趋势,求出基于傅里叶方程的能量优化运动曲线。为了验证CANopen通信的可靠性与稳定性进行了样机对接实验。(3)多模块机器人聚合能量消耗优化:通过分析两个模块机器人之间的最短路径问题提出多个模块机器人的聚合重构问题,多模块机器人重构可分为两个阶段,本文主要对重构第一阶段的能量消耗问题进行了计算复杂度分析,构建了模块平台的能量消耗模型,证明了多模块机器人的最优聚合能量消耗问题为NP-Complete。为了解决该问题设计了基于遗传算法与贪心策略的近似算法,最后进行了仿真分析与验证。以往对于自重构问题的研究多集中于链式模块化机器人,本文创新点在于引入图论对矩阵式模块化机器人的重构收敛路径规划问题进行能量消耗优化求解,设计了一种基于遗传算法与贪心策略相结合的近似求解算法,对后续矩阵式模块化机器人的重构研究具有启发意义。