多变魔方机器人的控制系统设计

摘  要： 介绍了一种新型的可重构模块化机器人(多变魔方机器人)，它同时拥有自重构、自组装和群体机器人的特点。多变魔方机器人的每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔方结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形。多变魔方机器人选用控制功能强大的ARM芯片和高可靠的ATmega8单片机，应用Zigbee无线网络通信构建了模块化分布式控制系统，有效地实现了机器人的运动控制。本文详细描述了多变魔方机器人模块的硬件结构，软件体系以及系统的工作原理。
关键词： 可重构；模块化机器人；自组装；分布式控制系统；ZigBee
   　在航天航空、星际探索、地质勘查、地质灾害预报、军事侦察、救灾抢险等领域，因为不能预先确知非结构化的环境，需要执行的任务往往也是变化莫测[1]。因此传统的机器人设计和控制方法已经难以满足机器人在非结构的、未知的环境下自主工作的要求[2]。模块化可重构机器人的拓扑形态是自主可变的，系统可以根据所处的环境通过组成模块之间的自主对接和分离实现整体或局部形态的改变，来调整其构形和功能，从而完成既定的任务，故能广泛应用于非结构化的环境。这样就对其控制系统提出了人工智能的更高要求，这也是当今机器人研究界最热门和尖端的研究方向之一。
　本文提出一种可重构模块化机器人--多变魔方机器人，并完成其控制系统的设计，实现感知、通信、驱动、传动和信息处理的融合，根据多智能体机器人系统的相应协调控制策略完成多种形态的变化和自组装。
1 多变魔方机器人的控制系统
　多变魔方机器人由n×n×n个相同的小模块机器人组成，如图1(a)所示为多变魔方机器人的最小组合，其中每个小方块代表一个具有完全相同结构的模块机器人。机器人控制系统能够根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定的动作或作业任务，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。传统机器人控制系统有集中式、主从式、分散式三类控制方式，但它们都不太适合作为多变魔方机器人的控制系统，因为多变魔方机器人有着模块化、可重组的鲜明特点。为了能够充分发挥多变魔方机器人的特点，有必要为它设计适合其特点的控制系统。
   
   　组成多变魔方机器人的模块数量较多，而且每个模块都有数据采集、运动规划、运动控制以及通信等功能，为了能够充分发挥多变魔方机器人的特点，故采用模块化分布式控制系统(MDCS)。模块化分布式控制系统由若干个子系统构成，子系统的个数与多变魔方机器人中模块的个数相同，子系统与模块一一对应。每个子系统的结构功能都相同，它是一个独立的单元，拥有电源、微处理器、移动结构、连接结构、自由度结构、传感器单元和通信接口等，如图1(b)所示。子系统除了控制与它对应的模块之外，还要负责整个系统的协调以及计算和规划等工作。模块化分布式控制系统是一个基于分布式网络的分布式系统，每个子系统都是网络中的一个节点。