文档介绍：杭州电子科技大学硕士学位论文
模块化自重构机器人能控性及运动
规划研究
研 究 生： 刘碧川
指导教师： 吴秋轩 副教授
2013 年 12 月
Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University
for the Degree of Master
Research on Controllability and Motion
Planning of Modular
Self-reconfigurable Robots
Candidate: Liu Bichuan
Supervisor: Associate-Prof. Wu Qiuxuan
December，2013
摘 要
模块化自重构机器人是由一系列结构相同但相互独立，具有一定感知、计算、
运动、自主的连接和分离能力的功能自治单元模块有机联接而成的机器人系统，通
过感知环境和自身状态，根据目标需求自主地改变系统逻辑或者物理构型，实现一
定的功能任务。该类机器人具有鲁棒性、多功能性以及适应性，在海洋探测、军事
侦察、核电站维修和废墟营救等未知环境和非结构环境中能够正常运行。模块化自
重构机器人的研究不但可以扩展机器人的应用领域，而且对于提高我国在该领域的
科研水平具有重要意义。
对于自重构机器人系统，系统的运动取决于各个模块的动力学特性以及模块之
间的相互作用，根据自重构机器人的动态特性给出其动态元胞自动机模型，在元胞
自动机的理论基础上，给出了状态转移规则矩阵的可逆性与元胞邻域的关系，并探
讨了群自重构机器人理论。
借鉴群系统基于环境的建模方式，机器人模块的动力学模型可以简化为高阶线
性定常系统，考虑到机器人模块间的相互独立性，将模块化自重构机器人系统动力
学特性作为离散的线性定常群系统分析，并给出了系统的状态方程描述，体现出动
力学方程与基于元胞自动机的动态方程的形式上的统一性。指出模块化自重构机器
人系统的能控性取决于模块之间相互作用和系统图的拓扑结构，两个方面的因素相
互独立，互不相关，必须同时满足。
针对国内外的自重构机器人由于各自的侧重点不同，尚没有通用的仿真工具的
现状，本文致力于设计开发一款简单实用的自重构机器人仿真环境，力求能够真实
的反映模块化自重构机器人的运动，并尽可能的减少由于模块硬件设计不同而产生
的约束。以微软机器人开发平台作为开发工具，将机器人模块抽象化为一个立方体，
并对立方体模块添加质量、颜色、摩擦系数等物理属性，虚拟环境能够真实的反映
实际情况下机器人的翻转、平移动作，为以后的开发工作奠定了基础。
目前存在的分布式模块化自重构机器人串行算法效率较低，在本项目研究过程
中，为每个机器人模块分配 ID 编号，给出机器人的整体构型描述，然后根据真实
环境中机器人模块的动作限制制定运动约束规则。最后根据元胞自动机的并行特
性，在保证系统的连通性的基础上，考虑模块运动过程中的碰撞规避，提出自重构
机器人的并行重构算法并进行 MATLAB 仿真。
关键词：模块化自重构机器人，元胞自动机，能控性，MRDS 仿真，并行自重构算
法
I
ABSTRACT
Modular self-reconfigurable robots is connected robot systems which consist of a
series of functional autonomous modules with same struc