题目：可重构模块化机器人拓扑构型及运动性能研究

本文以国家863计划资助项目“基于MEMS器件的模块化楼宇机器人”（项目编号：2003AA404190）和国家自然科学基金项目“模块化可重构移动机器人分布式智能控制机理研究”（项目编号：60405007）为背景，对可重构模块化机器人重构构型设计及数学理论表达方法、典型构型的运动性能仿真分析、跌落碰撞性能仿真分析、可重构模块化机器人物理样机的详细设计、控制算法及样机实验展开一系列研究。 当前，由于单一构型的机器人在复杂环境或要求多样性作业时，很难满足需要。如火星探测，一方面要求机器人完成多种工作任务，另一方面要求机器人具备适应复杂地形的能力，同时要求机器人体积小、重量轻，单一构型的机器人无法满足所有的要求。因此，对具有多种构型的可重构模块化机器人的研究和应用受到广泛关注。国内外学者陆续开展了对可重构模块化机器人的理论研究和样机设计。但是由于可重构模块化机器人在重构构型和控制系统设计方面的复杂性，目前鲜有应用。 在可重构模块化机器人的数学模型表达方面，研究了模块的概念设计和拓扑构型表达。首先总结模块的概念和划分原则，提出将履带式可重构模块化机器人划分为基础运动模块、转动关节模块和连杆模块；应用基于图论的拓扑构型表达方法，提出一种改进的拓扑构型关联矩阵，分别对机器人的单个模块和重构构型进行数学表达；在此基础上，应用构型列举算法，对履带式可重构模块化机器人进行构型列举，并提出机器人工作时最优构型选择的基本条件，即对称布局和模块数量尽可能少。在可重构模块化机器人性能方面，研究了运动性能和抗跌落性能。考虑到机器人主要完成野外复杂环境侦察作业，因此稳定安全地行驶而不发生倾覆是保证其完成任务的前提；又考虑到机器人质量小、速度低等特点，从而提出机器人运动性能的评价指标，即路面适应性，几何通过性和转弯机动性。通过分析履带与土壤的相互作用，分析了可重构模块化机器人的路面适应性；详细分析了可重构模块化机器人爬越斜坡和障碍的过程，并对其过程进行受力分析建立动力学方程；分析了机器人的转向原理，并对原地转向过程进行运动学分析；应用基于多体动力学理论的虚拟样机软件对机器人的运动性能进行仿真，并对不同构型的运动性能进行评价。最后应用有限元软件分析机器人在跌落过程中受到的应力和应变曲线，为机器人机构的优化设计提供了理论指导。在可重构模块化机器人物理样机设计和实验方面，设计了基于上述理论的物理样机，并进行了相关实验。首先详细设计了微小型可重构模块化机器人的机械结构和控制系统结构，提出了嵌入式的分布式控制系统；设计了基于模糊控制的航向纠偏控制算法；对可重构模块化机器人设计了不同环境下的实验，验证了其良好的运动性能。通过对可重构模块化机器人理论和实验的系统研究，为其实际应用奠定了强有力的基础。