课题的研究背景及意义

随着现代化科技的日益发展， 机器人技术也在不断更新与进步。 与此同时， 机器人正被广泛应用在不同的领域当中， 人们迫切地希望利用机器人来完成许多不同的任务。 传统的机器人由于机械结构的限制， 难以适应工作环境和任务的变化。 因工作环境和任务的变化重新对机器人进行开发常常要付出巨大的代价， 因而迫切需要一种能根据新的工作环境和新的任务要求来改变自身结构的机器人来完成任务。 可重构模块机器人是一种可以根据不同任务需要重新进行构形配置与组合的机器人， 这类机器人建立在模块化机器人思想的基础之上。 模块化的设计思想曾出现在不同学科当中， 并且得到了较为广泛的应用， 例如计算机电路板的设计、 机械制造及相应的软件设计等。 其中主要的设计思想是将复杂的系统划分成若干具有不同功能的模块， 这些模块具有轻便、 易维护、 逻辑清晰等优点。 可重构模块机器人被设计成可以利用具有不同性能和尺寸的、 可互换的关节模块和连杆模块， 以类似搭积木的方式组合成一组具有特定构形的机器人， 而以这种方式组合而成的机器人并非简单的机械重构， 同时还包括相应控制系统的重构。 此外， 可重构模块机器人的模块关节还包括通信、 驱动、 控制、 传动等单元， 它们使重构后的机器人能够对新的工作环境有更好的适应性。 可重构模块机器人的出现， 为机器人技术的发展提供了一个新的方向。 首先， 从机器人的研究角度出发， 这类机器人不再依据传统的基于传感器自治的方式， 而是扩展到了构形自治的方式。 由此可知， 虽然传统机器人可以依靠各种传感器来完成对信息的规划， 然而当面临的任务超过其自身所具有的物理特性时， 这类机器人很难完成任务。 可重构模块机器人则可以通过对自身物理结构的重构来组合成新的构形， 以便完成不同环境下的特殊任务， 同时， 通过机器人模块附加的传感器， 可以方便地对任务进行自主的策略规划。 由此不难看出， 可重构模块机器人正逐步成为现代化机器人的重要发展方向。 其次， 可重构模块机器人有着广泛的应用前景， 目前国外许多研究机构已经研制出许多具有不同功能及应用背景的可重构模块机器人， 并生产出了样机， 在许多领域甚至已经开始得以应用。例如在核电站的维护， 深海、 深空探测等方面不难见到可重构模块机器人的身影。 此外， 在航空航天、 军事、 现代化工业等领域， 可重构模块机器人技术也有着广泛的应用空间。

与传统的机器人相比， 可重构模块机器人具有适应性强、 成本低、 稳定性高等特点。 近年来， 可重构模块机器人的应用领域正在随着计算机、微电子和网络等技术的快速发展而逐步扩展。 现在， 可重构模块机器人已被广泛应用于危险环境作业、 军事、 空间探测、 工业、 医学、 娱乐等领域。 例如， 当发生核泄漏或海上原油泄漏事故时， 借助自身高度的灵活性与柔性， 可重构模块机器人能够代替人类去处理这些危险任务； 在军事领域， 由于可重构模块机器人能够根据实地环境自动重构成能适应不同环境和任务的最佳构形， 所以它可代替人类去处理探测、 攻击、 排爆等多种不同的任务； 在空间探测领域， 航天器的有限载荷限制使其不能将大量构形固定的机器人运送到空间站去， 可重构模块机器人可以很好地解决此类问题， 且可以避免人类探索外太空时所遇到的各种危险； 在医学领域， 医生利用吞服式机器人更易接近患者的伤口， 首先患者将多块ARES (即 “可重构装配腔内手术系统” ) 机器人吞入腹中， 或者通过自然切口由医生一块块插入人体， ARES机器人进入人体受损部位后， 按照要求自行组装成一个完整的手术工具。 随着人工智能、 仿生学等领域的不断发展， 可重构模块机器人系统的研究范围也在不断扩大。

目前国内外针对可重构模块机器人的研究主要包括运动学及动力学的建模、 构形优化、 自由空间的轨迹跟踪控制、 容错控制和受限空间的力/位置控制等几方面。 由于可重构模块机器人的逆运动学解并不唯一， 所以如何求其逆解一直是研究的热点及难点。 由于可重构模块机器人构形较多， 如何从众多构形中选择最优构形去执行任务， 直接关系到任务完成的质量。 近年来国内外有很多文献对可重构模块机器人在自由空间的轨迹跟踪控制进行了研究， 但将自适应迭代算法应用到可重构模块机器人轨迹跟踪控制方面的研究成果并不多。 在末端执行器受到外界约束时， 多依靠末端的腕力传感器来测量其与环境间的接触力， 没有考虑到末端传感器多被置于危险复杂的环境中， 易损坏且造价昂贵， 所以当末端执行器与外界接触时对无腕力传感器的力控制应重点研究。 以往的鲁棒控制是指允许被控对象模型在一定范围内存在不确定性， 它的前提是控制器必须准确实现，但在实际过程中， 由于软、 硬件等因素的影响， 其可能导致控制器本身出现脆弱性， 所以研究可重构模块机器人系统的非脆弱鲁棒分散力/位置控制具有重要的实际意义。 当可重构模块机器人执行器或传感器发生故障时， 如何实现故障的检测、 隔离与实时辨识将直接影响容错控制器的控制性能。 因此， 针对上述问题对可重构模块机器人进行研究具有重要的理论和实际意义。