文档介绍：群体机器人自组装的分布式控制方法与实验研究
徐敏* 魏洪兴** 蔡颖鹏**
(*厦门理工学院电子与电气工程系厦门 361024)
(**北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京 100191)
摘要: 源于社会性昆虫的群体行为,自组装为群体机器人的协作提供了一种新的行为模式。多个功能相对简单的个体机器人可以通过自组装构建复杂的集合体机器人,实现个体机器人不能胜任的任务。本文基于自组装模块化机器人平台Sambot,提出了一种分布式的自组装控制方法。每个对接机器人仅依赖红外传感器的局部感知和通信能力,通过漫游、导航、自主对接行为实现与种子机器人的自主对接。使用5个Sambot机器人,成功实现了4足构型的自组装实验。所提出的自组装控制方法可以直接扩展到多个Sambot执行,以构建任意构型的集合体机器人。
关键词: 自组装;群体机器人;自主对接;分布式控制;基于行为的控制
0 引言
受社会性昆虫的群体行为启发,近年机器人学术界关于群体机器人的自组装控制研究已形成研究热点。自组装是指在无人参与的情况下,一群智能体部件自动组合成一种新的形态或结构的过程[1]。在机器人领域,自组装为多机器人协作提供了一种非常实用的行为模式。一群具有相同功能的模块或个体机器人通过相互连接与分离,可以构建具有比单个模块或个体机器人更强的运动、感知和作业能力的集合体机器人[2]。
当前在群体机器人研究领域,只有较少的研究平台具有自组装的功能,而且由于设计目标不同,通过自组装建立的多机器人结构并不具备类似自重构机器人的整体运动能力[3,4,5]。而在自重构机器人领域,组成自重构机器人的基本模块一般不能自主运动或者只具有非常有限的自主运动能力,而且通常都是把模块排列到预定的位置完成构型的重构[6-9]。
在自组装控制算法研究方面,Chris Jones[10]、Jonathan Kelly[11]、Hristo Bojinov[12]等进行了基于规则的自组装控制算法的研究,但仅进行了仿真分析,没有进行实际平台的实验研究。
Grady[13]等人基于Swarm-bot平台,提出了一种称为SWARMORPH的分布式自组装控制方法,实现了给定目标构型的自组装控制。
本文基于一种新型的自组装模块化群体机器人平台Sambot,提出了一种分布式的自组装控制方法,自组装从种子机器人开始,采用有方向的自组装控制,决定对接机器人的连接方向;对接机器人仅依赖自身的红外传感器实现探测、导航与自主对接,从而实现多个Sambot机器人自组装控制,构建给定的机器人构型,我们使用5个Sambot机器人成功地实现了4足构型的自组装构建。
1 Sambot机器人平台
总体结构
Sambot机器人是一种结合自重构机器人与自组装机器人优点的群体机器人平台,每个Sambot机器人都是一个完全自主的移动机器人,类似群体机器人平台中的个体机器人;多个Sambot机器人通过自组装,可以构成一个集合体机器人(Robotic Structures),如蛇形机器人或4足爬行机器人,这种集合体机器人具有类似自重构机器人的重构和整体运动能力。
图1 Sambot机器人的总体结构平台
如图1所示,Sambot由上面的主动对接面板与下面的自主移动本体两部分组成。主动对接面板上有一对主动对接卡扣,能够允许其它S