独立操作型可重构机器人群体矢量构形研究

独立操作型可重构机器人具备单模块运动和操作、多模块协作、群体构形运动等特性，具有更强的运动能力和更广阔的应用前景。构形理论是可重构机器人研究中区别其它机器人的重要内容，本项研究针对现有构形理论对这类机器人的局限性，提出矢量构形概念，将构形研究内容扩展到群体构形的拓扑结构、构形运动方向、各模块的姿态方位和连接关系等。构建基于模块状态矢量和构形状态矩阵的矢量构形表达方法；建立表达方法支持的变化运算和操作规则，表达和触发模块行为运动和构形重构；并将模块状态矢量和构形状态矩引入构形重构优化分析中，提出组合重构和变换重构两类构形优化问题的解决方法，在模块和目标构形之间、初始构形和目标构形之间建立针对优化目标的状态变换对应关系。这种方法解决了独立操作型可重构机器人的群体矢量构形表达和变换、构形操作、构形重构优化和构形运动规划等构形理论中的重要问题，对可重构机器人的研究具有理论和应用现实意义。

独立操作型可重构机器人具备单模块运动和操作、多模块协作、群体构形运动等特性，顺应了机器人从结构环境下定点作业向非结构环境下自主作业的发展要求，能更好的应用到环境复杂、危险性高的场合完成作业，在星球探测、灾难救援等领域具有广阔的应用前景。提出了基于旋量的可重构机器人动力学建模和群体构形复杂地形的运动性能评测方法、基于联合运动规划的可变形机器人翻越楼梯在线控制方法和基于反应式行为的自主越障控制方法；针对现有构形理论对这类机器人的局限性，创新性地提出基于矢量构形概念的模块状态矢量和构形状态矩阵方法，将构形研究内容扩展到拓扑结构、运动趋势方向和各模块的姿态方位及连接关系；该方法支持变换运算和操作，可以表达、触发模块的行为运动和构形重构，同时具有无冗余数据，所需存储空间较小的特点；根据重构对象的形式，提出组合重构和变换重构的分类方法，并将模块状态矢量和构形状态矩阵引入构形重构优化中，提出以工作负荷为优化目标的构形重构优化方法，获得模块在构形重构中状态对应变换关系作为构形重构规划的基础；提出融合时序关系的行为树，获得构形运动或重构的行为运动序列和时序关系，构建语义逻辑系统实现参数化的构形运动行为及时序的描述；针对可重构机器人和可变形机器人机构和运动特性，提出基于层次化体系及分布式控制的模块化控制系统结构。通过以上研究，首次形成“矢量构形研究目标—基于模块状态矢量和构形状态矩阵的表达方法—模块和构形运动与表达方法操作间的关联机理—构形重构优化方法—构形规划方法”为主线的系统化的构形研究理论体系。这种体系研究方法解决了这类机器人的群体矢量构形表达和变换、构形操作、构形重构优化和构形运动规划等构形理论中的重要问题，对可重构机器人和可变形机器人的研究具有理论和应用现实意义。为了扩展可重构机器人在搜救任务的实际应用，针对室内环境中存在许多有方向性的特征（墙角、家具拐角等），提出基于Voronoi地图的同步定位与地图创建算法，实现了机器人在室内未知环境、没有全局定位系统的条件下，利用搭载的传感器给自身定位并创建室内环境地图。本项目在理论研究及技术方面取得了一系列有意义的研究成果：发表论文17篇，EI收录12篇；申请专利4项，已授权2项；获得辽宁省自然科学学术成果奖一等奖、第十届全国信息获取与处理学术会议优秀论文一等奖等奖项共4项；培养博士研究生4名，硕士研究生1名。