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硕士论文-2D模块机器人仿真设计与自复制行为研究，正文共90页
摘 要
近年来，模块机器人（或称可重构机器人）引起了机器人研究领域的广泛关注。因为针对特定需求所设计的机器人能很好的执行特定的任务，但是却会在改变执行环境或执行任务时执行效果很差。针对结构化的执行环境，这样的特定机器人是满足需求的。然而如果是在非结构化环境中动态执行任务，那么一个有能力自主改变构型以适应动态的功能任务的机器人会比固定构型的机器人更能满足需求。这种由许多模块单元组成的可改变自身构型的机器人就是可重构模块机器人。
自重构模块机器人由一系列模块组成，各模块机械组成和外观基本一致。各模块间通过统一的接口进行连接，可用于传递力，运动控制信息，能量和数据通信。通过模块之间的连接与断开操作和相互运动来动态改变整体构型，扩展运动形式，完成多种运动及操作任务。由于模块间的相对位置能够依据具体任务动态地改变，模块机器人显示出了许多重要的优越性，如适应性，容错性，可扩展性以及灵活性等。
鉴于以上优点，可重构模块机器人在未来具有非常广泛的应用潜力，涉及包括军事，航天，工业等多个领域，包括：（1）敏捷制造。（2）高难度救援工作。（3）空间应用等。
目前，国际上已经有许多的科研机构和院校在模块机器人领域进行研究。这些研究机构和院校已经在模块机器人的系统设计与实现，机器人的变形策略，以及控制算法，运动规划等方面取得了较大的进展。他们提出了一些与模块机器人相关的模块设计和控制准则，建立了多个模块化机器人的原型样机等。有些成功完成了模块化机器人的静态重构，有些则实现了模块化机器人的动态运动功能等。而国内关于模块机器人的研究虽然起步较晚，但也涌现出了一些较为突出的科研院所，并取得了一定的研究成果，对于模块机器人的深入研究也起到了一定的的推动作用。
在过去的20年中，模块化机器人的研究发展得如火如荼，不再停留在最初的概念性研究上，逐步制造出物理实体机器人，并在工业界有应用成功实例。2005年康奈尔大学的可自我复制机器人的诞生标志着自复制机器人的研究进入了一个新的领域，随后英国、日本、韩国等国家也相继的提出了自我复制和自我重组的机器人的研究成果。到目前为止，国际上已经有多种典型的模块机器人依靠硬件支持研制出来。比较有代表性的晶格式机器人有Crystalline, Molecube，Telecube和ATRON等，而链式机器人也有M-TRAN，CONRO，Polybot和YaMoR等。
由于机器零件本身的机械特性限制使得机器人没有长久的存活能力。而本课题所研究的模块机器人的自主复制行为则可以使得机器人长时间生存和具备更强的环境适应能力。模块机器人的自主复制行为即由初始机器人经过在一个充满零部件的海洋里游弋，存储在其记忆体中的程序指导机器人从海洋里取得部件，并将它们组合成一个复制体，并将记忆体中的内容拷贝给复制体，从而生成一个新的独立的同样也具备自复制能力的机器人。
总的说来，近20年来模块机器人领域的研究重点仍然主要集中在模块的硬件设计与控制算法的设计以及自重构的规划算法实现上，然而对于模块机器人的自主复制方面的研究成果却较少。但可以预计的是，随着机器人复制理论研究的深入，微电子机械和微电磁技术的不断发展，以及机器人复制背后的巨大效益，这一领域的研究将更加兴旺。因此，本文选以“2D模块机器人仿真设计与自复制行为研究”为课题进行更进一步的探索研究。
机器的自主复制可使机器长时间生存和具备环境适应能力，但关键在于如何进行复制，以及探究其背后的复制规律和可能的运动学与遗传学意义。本文采用如下研究方法：以自主开发的仿真平台为研究基础，以控制变量法与数据的统计分析法为基本的研究方法，并且试图以分组实验数据揭示智能模块机器人的自复制规律。采用遗传算法与确定性算法的结合来解决模块机器人的路径规划和运动规划问题。以算法设计实验，以实验得到数据，以数据寻找规律。
本课题的主要工作有如下几点：首先是自主开发了一套针对2D模块机器人Molecube的自复制仿真的仿真平台2DRobot版本1.0。本课题的所有仿真实验的实施均是基于此仿真平台。其次，再针对模块机器人的路径规划算法和运动规划算法的设计和优化展开研究，提出了一种确定性运动规划算法，其有效性与高效性均得到了验证。之后，进一步将演化策略用来整个模块机器人自复制全局路径规划，而将基于运动学特性的确定性算法用于自复制过程中的每一个单步的具体运动规划，从而提出了一种高效的联合演化策略与确定性策略的自复制规划算法。最后，探究模块机器人的自主复制规律以及相应的数理应用模型的建立，为模块机器人的复制方法选择，复制行为设计，复杂性度量等提供理论分析依据。
本文的创新点在于设计和优化了机器人自复制规划算法，并据此发现和总结了2D模块机器人自复制行为的规律和相应数理模型。
虽然本文对模块机器人的自复制规律和模型进行了基本探究，对于最终的复制效果与机器人构型，机器人规模，培养基浓度，零件分布情况，以及复制方式，控制算法等之间的关系，设计了多组对比实验统计复制规律，拟合出了相应的数理应用模型。但是该领域蕴含的内容还很多，还需要我们以及后面的工作者对其进行更加细致，更加精确的研究。另外，还应该在以下几方面加以完善和提高：模块机器人的分布式控制实现；容错及自修复能力实现；智能化实现；自复制规律的深入探究等。
关键词：模块机器人；自复制；运动规划