2007年 5月 JOU RNAL O F SOU TH EA S T UN IV ERS ITY (N a tu ra l S c ience Ed ition)
M ay
2007
模块化自重构机器人蠕虫构型的运动控制
赵 杰 张玉华 朱延河 任宗伟 蔡鹤皋
(哈尔滨工业大学机器人研究所, 哈尔滨 150001)
摘要
:
提出了一种采用相对方位系数与标准构型步态控制表结合的控制策略,
对由n ( n
≥4)
个 模块组成 、模块放置方位变化的自重构机器人蠕虫构型进行运动控制.
利用模块之间的分布式通 信和上位机主控相结合的通信方式,
构型中的各个模块根据与相邻模块的相对方位关系和标准 步态表自行决定自身的运动序列,
可以对蠕虫机器人进行实时控制.
对 2组由不同数目 、不同方 位模块组成的蠕虫构型的运动控制进行了实验.
实验结果表明:
该方法实现简单,
可以针对模块 数目不定 、方位可变的自重构机器人蠕虫构型进行实时运动控制.
关键词
:
自重构;
模块化机器人;
运动控制;
标准步态表中图分类号
: TP
24216 文献标识码: A
文章编号:
1001 - 0505(
2007)
0320409205Locomotion con trol of modular self 2 reconf igurable robot worm 2 like structure
Zhao J ie Zhang Yuhua Zhu Yanhe R en Zongw e i C a i H egao
( R obo tics Institu te, H a rb in Institu te of Techno logy, H a rb in150001, C h ina)
Abstra ct: A con tro l m e thod com b ined standa rd conf igu ra tion ga its lists w ith re la tive o rien ta tion coef
2f ic ien ts is p rop osed fo r w o rm
2like conf igu ra tion of m odu la r se lf
2reconf igu rab le robo t, in w h ich con
2f igu ra tion num be r n ( n
≥4) and o rien ta tion of m odu les can be va riab le. C om b ined d is tribu ted com
2m un ica tion be tw een connec ting m odu les w ith m aste r
2slave con tro l be tw een m as te r com p u te r and a ll m odu les, se lf
2reconf igu rab le robo t m odu les can au tom a tica lly recogn ise its o rien ta tion coeff ic ien ts re la tive to m odu les d irec tly connec ting to itse lf and com p u te its ro ta te ang le se ries. Exp e rim en ts on tw o k inds of w o rm
2like s truc tu res w ith d iffe ren t m odu les and m odu le o rien ta tion w e re conduc ted.
R esu lts show tha t the m e thod can easily con tro l the w o rm
2like s truc tu re w ith d iffe ren t m odu les and m odu le o rien ta tion.
Key words: se lf
2reconf igu re; m odu la r robo t; locom o tion con tro l; standa rd ga its lis t
收稿日期: 2006208220.
基金项目:黑龙 江 省 博 士 后 科 研 启 动 资 金 资 助 项 目 ( L RB2 KY02029)、长江学者 和创新团队发 展计划 资助项目
( IR T0423) .
作者简介:赵杰(1968—) ,男,博士,教授,博士生导师, jzhao@h it.
edu. cn.
模块化自重构机器人可以通过改变机器人模 块之间的相互位置和连接关系来适应非结构化的 环境
,
完成传统机器人无法完成的任务,
具有环境 适应能力强 、制造成本低 、可自修复 、自变形等优 点.
自重构机器人的运动方式主要有两类:
一类是 通过重复重构过程,
改变模块之间的相互位置关系 和连 接 关 系,
从 而 改 变 机 器 人 整 体 位 置 进 行 运动[1 - 3 ]
;
另一类是通过将自重构机器人变形为特定的构型
,
如四足 、蛇形等,
通过机器人的整体协调运动进行[4 - 5 ]
.
后者无需反复改变模块间连接断开关系
,
运动速度和效率远高于前者,
但由于组成特定 构形的模块数目不定,
模块方位不定,
无法采用传 统的控制方法,
因此研究一种简单通用的控制方法 成 为 控 制 自 重 构 机 器 人 整 体 协 调 运 动 的 难 点.
S im s
[6 ]和L ip son
等[7 ]采用遗传计算方法对机器人 的运动进行集中式控制. A k iya
等采用神经元振荡 器和遗传算法[8 ]结合对特定构型机器人的运动方 式的产生进行了研究,
解决了特定数量 、特定模块 方位的自重构机器人的运动控制问题. Y im
研究了 采用步态控制表[9 ]的分布式控制方法控制蠕虫构 型自重构机器人的运动方法.
文献[
10 - 11]
提出 了一种类似荷尔蒙的消息传递机制和运动规则库 相结合的办法对足式机器人的运动进行控制,
解决了模块数目可变的自重构机器人的运动控制问题
.
本文提出采用标准步态表和相对方位系数结 合的控制方法,
解决了模块数目可变 、模块方位可 变的自重构机器人整体协调运动的自动控制难题,
具有通用性.
1 自重构机器人系统 H itM SR 概述
研制的模块化自重构机器人
H itM SR
系统组 成如图 1所示,
由上位机 、中转机 、电源和自重构机 器人组成.
上位机可以对机器人模块的重构运动和 整体协调运动进行离线规划和仿真,
也可产生控制 机器人模块运动的指令序列,
对机器人模块进行实 时控制;
中转单元接收上位机传送来的指令序列,
重新进行打包处理后转发给自重构机器人;
自重构 机器人接收中转单元转发来的指令并按指令进行 相应的动作,
完成重构运动或整体协调运动;
外部 电源对所有机器人模块进行供电.
自重构机器人模 块的具体结构如图 2所示,
每个模块具有 1个转动 自由度和 4个结构相同的连接面,
模块由通过电机 输出轴直接相连的 2 个L
形半块组成,
能够实现 最大范围为 ±90°的相互转动.
模块的正立方体结 构使模块可快捷有效地组成各种阵列网格式的整 体构型,
使自重构控制变得简单,
同时,
模块具有单 转动自由度,
解决了特定构型协调运动时关节运动 问题,
研制成功的模块参数如表 1所示.
图 1 H itM SR系统组成
图2 H itM SR机器人模块结构
表 1 H itM SR机器人模块参数表
尺寸/ (mm×mm ×mm )
质量/ kg
电源电压 (D C ) /V
电机额定转矩/ ( kg・cm )
92×92×92 0135 6 13
2 蠕虫构型
211 模块坐标系描述
采用如图 3所示的坐标系
,
图中与电机本体固 结的部件称为“Pa rt
0”,
与电机输出轴固结的部件 称为“Pa rt
1”,
模块坐标系建立在Pa rt
0上,
用( X
f, Y
f, Z
f)
来表示,
原点建立在模块的几何中心,
各坐 标轴方向如图 3所示;
绝对坐标系用( X, Y, Z)
来表 示.
重力的方向与绝对坐标系中Y
轴正方向相反.
电机转角方向规定:
沿Pa rt
0 的Y
f坐标轴逆向看 去,
逆时 针 为 正,
顺 时 针 为 负,
电 机 转 角 范 围 为- 90°～ + 90°
.
图 3 模块坐标系描述
2
12 蠕虫构型的定义由 4个或 4个以上的模块组成相互连接的串 联机构
,
且满足下列条件:
① 各个模块的Y
f轴都 平行于地面;
②各个模块的Y
f轴都相互平行.
图4 模块摆放方位示意图
2 . 3 蠕虫构型的特点
由蠕虫构型的定义可以看出
,
蠕虫构型相对于 传统的蛇形机器人有如下特点:
1
)
模块数目的可变性 根据需要,
自重构机 器人在不同的情况下重构出的蠕虫构型所含模块 数目可能不同.
2
)
模块具有互换性 构成蠕虫构型的模块物 理地址不固定.
3
)
模块方向的可变性 如图 4所示,
对于由 3 个模块组成的串联结构中来说,
模块ID
1 可以有 4 种摆放方向,
模块摆放的方向直接影响电机的转角 位置,
如图 4( a )
、( d )
中模块ID
1 的转角为 + 30°,
图 4( b)
、( c)
中模块ID
1的转角为 - 30°.
3 采用标准步态表的蠕虫运动控制
3
11 蠕虫运动控制为对蠕虫构型进行运动控制
,
控制算法必须满 足如下条件:
①能对由n ( n
≥4)
个模块组成的所 有蠕虫构型进行控制;
② 能对由不同摆放方位的 模块组成的所有构型进行控制;
③ 针对不同物理 地址的模块组成的所有构型进行控制.
针对蠕虫构型控制数目不定 、方位不定 、地址 不定的难点
,
提出了一种基于相对方位系数和标准 步态表的控制方法,
基本思想是建立由 4个模块按 特定的方位组成的标准蠕虫构型,
把对标准构型控 制的参数作为标准步态表储存起来.
通过模块间分 布式通信进行构型信息的自动采集,
确定蠕虫构型 中模块数目和模块之间的相对方位关系,
把标准步 态表进行构型的数目扩展和方位扩展后作为实际 结果,
输出实际构型中各模块的转角规律.
图 5 蠕虫构型单三角波推进示意图
3
12 标准构型标准蠕虫构型如图 5节点 1～4所示
,
1 ～4 分 别表示 4个模块在构型中的位置编号,
蠕虫构型前 进方向为X
轴正向,
图中空心矩形表示Pa rt
0,
实 心矩形表示Pa rt
1,
带点的圆圈表示模块的Y
f轴与 绝对坐标系的Z
轴相同,
垂直纸面向外.
3 . 3 三角波推进的标准步态表
蠕虫构型机器人三角波推进运动的运动过程 划分为 2个阶段
:
1
)
三角波产生阶段 如图 5所示,
图中a
段表 示蠕虫构型的初始状态,
控制节点 1～3 的转角变化
,
当各电机转到指定角度值时,
机器人将形成图 中b
段的体态,
波峰出现在节点 2上,
机器人向前 运动一个步距 Δx.
模块 1～3的转角规律如图 6中a
段所示,
模块 2 从初始状态 0°运动到负向最大 值,
波峰出现在模块 2上.
2
)
三角波传递阶段 三角波传递阶段要将上 一阶段产生的波峰从节点 2平稳地传递到节点 3,
这一阶段很容易使上一阶段产生的步距 Δx
减少 或完全消失,
为防止步距损失,
各电机的运动应遵 循一定的规律.
三角波传递过程如图 5中b
～e
所 示,
各转角变化规律如图 6中b
段所示,
模块 3运 动到负向最大值,
波峰位置从模块 2 传递到模块3
.
由图 6可以看出
:
模块 1～3的运动规律和其 他模块的运动规律是不同的,
依据模块的位置分可 为 2类:
一类是尾部的 3 个模块,
功能是产生新的 三角波,
称为三角波产生模块;
另一类是除尾部三 角波产生模块之外的所有模块,
这些模块本身不产 生新的三角波,
而只是进行三角波的传递,
称为三 角波传递模块.
图6 单三角波推进各模块转角规律
把图 6中的三角波产生阶段
( a
段)
和三角波 传递阶段( b
段)
的角度值离散化成S
份,
把每一份 对应的角度值,
按顺序排列,
组成标准步态表,
建立 的标准步态表也包括 2部分:
一部分是三角波产生 阶段步态表;
另一部分是三角波传递阶段步态表.
表 2和表 3为S
为 3份时的步态表,
表中的每一行 表示在一步运动后标准蠕虫构型各个模块的目标 位置转角,
每一列表示标准蠕虫构型中某一模块在 整体构型运动过程中所期望的运动序列.
离散步数S
越大,
蠕虫构型中各个模块舵机的运动轨迹越平 滑,
但标准步态表所需的存储空间也越大.
表 2 三角波产生阶段标准步态表
S 模块编号
1 2 3 4
0 231556 45 - 471112 91 231556 45 0 1 331557 30 - 671114 60 331557 30 0 2 411409 61 - 821819 22 411409 61 0
表 3 三角波传递阶段标准步态表
S
模块编号
1 2 3 4
0 491458 40 - 711790 04 01000 00 221331 64 1 221331 64 01000 00 - 711790 04 491458 40 2 01000 00 411409 62 - 821819 24 411409 62
3
14 蠕虫构型模块数目的扩展蠕虫标准构型由 4个模块组成
,
在实际的蠕虫 构型中模块数目为n ( n
≥4) ,
需要对标准构型中的 模块数目进行扩展,
使控制方法对任意数目n ( n
≥4
)
的蠕虫构型都适用.
蠕虫构型机器人三角波推进运动方式中
,
若模 块的方向与标准构型中各模块的方向相同,
一个三 角波从构型尾端传递到首端,
每 4个模块做一个周 期性运动,
除了构型尾部的 3个三角波产生模块的 转角规律特殊外,
其他标准方位模块的转角变化规 律相同,
仅在时间(
相位)
上有所差别,
如图 6中b, c
段所示,
图中b
段模块i
的变化规律与c
段模块i
+ 1的变化规律相同
( i
= 1,
2,
3,
4) ,
即在三角波传 递过程中,
模块i
在t
时刻的转角与模块i
+ 1 在t
+
t
时刻的转角相同,
Δt
为三角波从一个模块传递 到相邻模块的时间.
因此在n
> 4 的蠕虫构型的三 角波传递阶段,
只要把标准构型的模块 1,
2,
3,
4的 转角规律延时t
后传递给相邻的模块,
作为扩展模 块的标准步态转角即可.
3 . 5 蠕虫构型组成模块方位的扩展
电机的输出转角不仅和模块在构型中所处的 位置有关
,
而且和模块的方向也有关系.
模块的转 角与标准步态表中的标准角的关系为A
r =εyεzA
i(
1)
式中
,
εy为模块Y
轴方向的影响;
εz为模块Z
轴方 向的影响; A
r为模块中电机的实际转角; A
i为模块 的标准步态表中的转角.
若模块的
Y
f轴方向与标准构型中模块的Y
f轴的方向相同则 εy = 1
,
相反则 εy = - 1;
若模块的Z
f轴方向与标准构型中模块的Z
f轴的方向相同则 εz = 1,
相反则 εz = - 1;
实际构型中,
模块根据与相 邻模块的相对方位关系来计算模块自身的方位系 数为εi+ 1 =εii+ 1εi
i
= 0,
1,
2,
…(
2)
式中,
εii+ 1为模块i
+ 1相对于i
的相对方位系数.
只要上位机指定尾模块的方位系数 ε0
,
则模 块可以根据相邻模块的方位关系自动确定模块自 身的方位系数.
3
16 蠕虫构型组成模块相对方位关系的自动识别 蠕虫构型中各模块的相对方位关系通过模块之间的通讯来完成
,
如图 7所示,
对连接面上的通 讯触点按逆时针顺序编号为 0,
1,
2,
3 号触点,
在 2 个模块连接时,
分属于 2个模块的一对连接面之间 可以有 4 种连接角度:
0°,
90°,
180°,
270°.
每个通 讯触点用一个I /O
口进行控制,
采用异步串行通 信方式,
通信数据包包括模块的ID
号和触点占用 的I /O
口地址,
通过获取相邻模块的ID
号和接触 面上各触点占用的I /O
口地址,
模块可以获知与 相邻模块的连接面 、连接角度和相邻模块的ID
号,
并贮存在相应的连接面存贮器中,
上位机通过查询 各个模块的连接面存贮器获取整体构型组成和方 位信息.
图 7 H itM SR连接面触点分布图
4 实验
411 控制系统结构
H itM SR
自重构机器人系统的控制结构如图 8所示
,
上位机通过中转机采用无线通讯的方式控制 机器人整体行为或某个模块单独行为,
而模块之间 只有直接相邻的 2模块之间可以通过触点进行通 信.
把 标 准 步 态 控 制 表 事 先 写 入 到 每 个 模 块 的ROM
中.
在蠕虫构型开始上电启动时,
模块之间通 过相互之间的通信过程可以确定模块的相邻关系 和相对方位关系,
上位机通过查询各个模块的位置 信息获得整体构型的模块数目信息和模块相互之 间连接关系,
若指定了蠕虫构型的前进方向或指定 蠕虫构型的尾部模块及其与标准模块方向的关系,
则各个模块可以通过相互之间的连接方位关系计 算出自己的转角系数和转角A
i,
通过计算可知自 己的实际转角A
r,
上位机在时间 Δt / s
向各个模块 发送同步信号,
使机器人运动,
其中s
为步数.
图8 控制系统结构 控制数据包有 2种格式
:
1
)
模块地址 +命令字 +尾模块方向系数 +校验码
.
2
)
同步指令.
上述数据包用来指定蠕虫构型 的尾模块及其相对于标准模块的方向系数,
通过上 位机指定尾模块及其方向系数可以有如下优点:
① 通过指定不同的尾模块可以控制蠕虫构型的运动 方向;
②若尾模块编号在蠕虫构型的中部,
可以实 现单条蠕虫构型分为 2条蠕虫构型的分离操作.
同步指令由上位机发送
,
所有模块同时接收并 运行,
克服了分布式控制系统中无法同步的难题,
模块之间的分布式通信可以自动完成蠕虫构型中 各模块之间的相对方位关系,
提高了通信效率和系 统的自主性.
4
12 实验验证在实验过程中
,
上位机与中转机的通信波特率 为 9.
6kb it / s,
无线通信频率采用 433193M H z,
进行 了 2组蠕虫构型的实验,
2 组蠕虫构型的模块数目 不同,
模块的方位不同,
初始构型中各模块的舵机转 角均为 0°.
针对 2种构型分别进行了单三角波运动 和多三角波运动实验,
实验数据如表 4所示.
表 4 蠕动构型控制结果
项目 蠕动构型1 蠕动构型2
模块数目 7 10
与标准方向不同的模块数目 3 5
单波运行速度/ ( cm・m in- 1) 35 33 多波运行速度/ ( cm・m in- 1) 65 71
实验结果表明
:
通过采用相对方位系数与标准 构型控制步态表相结合的办法,
机器人可以根据存 储的标准构型步态表自动产生实际构型中各模块 的控制转角,
使机器人产生三角波运动.
5 结语
通过采用相对方位系数和标准构型步态控制 表的控制策略
,
利用模块之间的分布式通信和上位 机主控相结合的控制方式,
提出了对不同数目 、不 同方位模块组成的蠕虫构型进行自动控制的方法,
解决了自重构机器人蠕虫构型模块互换性 、模块数 目不定和模块方位不定造成的控制难题.
实验结果 表明,
该方法简单易用,
对模块数目可变 、方位可变 的蠕虫构型可以自动产生运动序列,
具有通用性.
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