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自重构机器人结构设计及其自修复算法的研究

作 者: 张鑫
导 师: 费燕琼
学 校: 上海交通大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 自重构模块化机器人 连接机构 系统描述 运动规则 几何特征 自修复
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
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内容摘要


自重构模块化机器人是一种由若干个具有感知能力和一定智能的基本模块组成的新型机器人。它可以灵活地改变自身的形状,具有基本模块简单、系统结构多样、适应性和鲁棒性强、容错性和自修复等突出优点。因此,可应用于航天探索、深海探测、核电站检测、未知和非结构环境等,具有广阔的应用前景和重大的研究意义。本文首先设计了三维网格式自重构机器人系统M-Cubes,它的基本模块由中心立方体和分布于立方体六个面上的旋转臂组成。为了对该系统结构进行完善以满足自修复的要求,本文对M-Cubes基本模块进行了受力分析。然后,本文根据自修复的要求和受力分析的结论,对M-Cubes基本模块的连接机构进行了重新设计。接着,对该新连接机构进行了受力分析,并和原连接机构进行了比较。自重构机器人能够改变自身的整体构型,本文结合图论提出了一种利用相对坐标系描述自重构机器人系统构型的方法。然后对M-Cubes模块的基本运动规则进行了分析和总结,从而为研究自修复算法打下理论基础。自重构机器人能检测和分离故障模块,并用备用模块代替,即具有自修复能力。本文提出了一种基于几何特征的分布式自修复算法,它能搜索一种通用的有效运动路径,实现三维自重构机器人的自修复功能。最后利用Java 3D技术对自重构机器人的自修复过程进行了仿真实验。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-27
  1.1 引言  12-13
  1.2 自重构机器人的概况  13-16
    1.2.1 自重构机器人由来及其特点  13-14
    1.2.2 自重构机器人的主要分类  14-16
  1.3 自重构机器人的研究状况  16-26
    1.3.1 关键问题  17-18
    1.3.2 研究现状  18-26
  1.4 本文主要研究内容  26-27
第二章 M-Cubes自重构机器人的机构设计  27-38
  2.1 引言  27
  2.2 M-Cubes机器人的基本模块设计  27-35
    2.2.1 M-Cubes系统的基础立方体的设计  28-31
    2.2.2 连接机构的设计  31-32
    2.2.3 模块的对接运动  32-33
    2.2.4 模块的旋转运动  33-35
  2.3 M-Cubes基本模块受力分析  35-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章 自重构机器人新型连接机构设计  38-51
  3.1 引言  38
  3.2 自重构机器人连接机构的设计原理  38-41
    3.2.1 自重构机器人连接机构的功能  38-39
    3.2.2 自重构机器人连接机构设计的要点  39-41
  3.3 新型连接机构的结构设计  41-47
    3.3.1 连接孔设计  42-44
    3.3.2 连接轴设计  44-46
    3.3.3 连接与分离过程  46-47
  3.4 新型连接机构的受力分析  47-49
  3.5 本章小结  49-51
第四章 自重构机器人的数学描述及其运动规则  51-64
  4.1 引言  51
  4.2 自重构模块化机器人的数学描述  51-58
    4.2.1 自重构机器人的系统描述  52-57
    4.2.2 自修复算法的数学描述基础  57-58
  4.3 自重构机器人的模块运动规则  58-63
    4.3.1 模块运动规则的理论基础  58-60
    4.3.2 M-Cubes模块的对接运动规则  60-62
    4.3.3 M-Cubes模块的旋转运动规则  62-63
  4.4 本章小结  63-64
第五章 自重构机器人自修复过程研究及算法设计  64-76
  5.1 引言  64
  5.2 自修复问题分析  64-66
  5.3 基于几何特征的自修复算法  66-70
    5.3.1 搜索边界面并建立相对坐标系  67-68
    5.3.2 转移故障模块并释放  68-69
    5.3.3 备用模块加入构型取代原故障模块  69-70
  5.4 基于Java3D技术的自修复算法仿真  70-74
    5.4.1 Java3D概述  70-72
    5.4.2 基于Java3D的自修复算法仿真结果  72-74
  5.5 本章小结  74-76
第六章 总结与展望  76-78
  6.1 全文总结  76-77
  6.2 研究展望  77-78
参考文献  78-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表或录用的论文  84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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