一种模块化机器人链式自重构序列规划方法

【】本发明涉及一种模块化机器人链式自重构序列规划方法，属于模块化机器人自重构规划。

背景技术

0、背景技术：

1、随着中国空间站建造任务的顺利推进，我国在载人航天与深空探测等领域向前更进一步。在未来，载人月球探测、月球科考基地的建设、火星采样返回等重大工程将相继开展。空间机器人作为空间探测与在轨服务的重要装备，有着举足轻重的地位。针对传统空间机器人而言，固定的关节排布一定程度上局限了机器人的工作范围、操作精度等作业能力。模块化机器人因其构形可重组、模块可替换等特点，针对复杂、多样的空间操作任务具有良好的适应性与应用前景。但受限于空间发射条件与空间恶劣环境，借助外部设备或专门人员对机器人进行重构的方案增加了运输成本且存在较大的安全风险。为保证模块化机器人可针对不同任务实现自身的构形变换，充分发挥模块化机器人高冗余度的优势，以链式自重构运动为基础，开展模块化机器人自重构规划方法相关研究具有重要意义。模块化机器人自重构规划包含自重构序列规划与自重构运动规划两个方面。其中，自重构序列决定了机器人重构运动的执行对象与执行顺序，是机器人实现自重构的前提与关键；自重构运动规划则侧重对序列的执行。现有运动规划理论相对成熟，而对自重构序列规划往往忽略了模块化机器人在构形变化下运动特性对序列规划的影响，可能造成模块化机器人因运动能力受限而自重构失败。因此，为了实现模块化机器人自重构运动的顺利完成，亟需开展模块化机器人链式自重构序列规划方法研究。

2、现有关于模块化机器人自重构序列规划的研究主要围绕机器人构形的拓扑图重构进行，重点关注重构次数等指标，以拓扑图重构序列作为机器人的自重构序列。然而，现有重构序列规划方法并未充分考虑机器人的运动执行情况，特别是在链式自重构运动中，机器人运动能力的变化对自重构序列的可执行性具有直接影响。因此，需以机器人的拓扑图重构序列为基础，同时考虑机器人运动能力对自重构序列的影响，设计模块化机器人链式自重构序列规划方法。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、有鉴于此，本发明实施例提供了一种模块化机器人链式自重构序列规划方法，通过对重构前后的构形从拓扑图的角度进行分解，获得重构前后构形的拓扑子链集合；设计子链对比规则，求取各个拓扑节点之间的匹配关系，生成初始自重构序列；考虑模块化机器人运动约束，设计自重构序列重规划策略，以获得满足模块化机器人运动执行要求的自重构序列。

2、本发明实施例提供了一种模块化机器人链式自重构序列规划方法，包括：

3、对模块化机器人进行拓扑学描述，将模块化机器人重构前后构形的拓扑图进行解构，获得模块化机器人重构前后的拓扑子链集合；

4、依据所述模块化机器人重构前后的拓扑子链集合，设计拓扑子链对比策略，获得模块化机器人初始自重构序列；

5、依据所述模块化机器人初始自重构序列，考虑模块化机器人链式自重构运动约束，设计自重构序列重规划策略，获得满足机器人运动要求的自重构序列；

6、其中，构形是指模块化机器人中各个模块单元之间的连接关系；自重构序列指实现模块化机器人构形变换的模块单元断开-连接的顺序。

7、上述方法中，依据所述模块化机器人拓扑学描述，对模块化机器人重构前后的拓扑图进行解构，获得重构前后的拓扑子链集合，包括：

8、(1)拓扑子链解构规则：

9、从中心节点出发，终止于叶子节点，依次搜索出所有无分叉的单链通路，实现对机器人构形拓扑的解构；若通路中存在分叉节点，则按照接口值大小，以接口值小的作为主干链，从分叉节点出发，对子拓扑进行二次解构；重复此操作，直至所有子链均为无分叉的单链结构；将所有的单链构成的集合作为该拓扑下的子链集合；

10、(2)各个模块连接面表示为：

11、msd＝100mid+10sid+dir

12、其中，mid为模块编号，sid为接口值，dir为两个模块接口间的连接关系；对于模块数量为n的子链，其描述形式为

13、

14、其中，msd11表示第1个模块中与第2个模块相连的连接面信息，msd12表示第2个模块中与第1个模块相连的连接面信息；以此类推，msd(n-1)1表示第(n-1)个模块中与第2个模块相连的连接面信息，msd(n-1)2表示第n个模块中与第(n-1)个模块相连的连接面信息。

15、上述方法中，依据所述模块化机器人重构前后的拓扑子链集合，设计拓扑子链对比策略，获得初始自重构序列，包括：

16、(1)拓扑子链相似度：

17、在进行子链对比时，重点关注子链中接口连接关系的差异，通常会将子链描述中的编号值分离出来，获得仅包含接口值与方位值的子链连接描述矩阵，即

18、

19、其中，在模块连接面描述的基础上，sd11表示第1个模块中与第2个模块相连的接口及连接关系信息，sd12表示第2个模块中与第1个模块相连的接口及连接关系信息；以此类推，msd(n-1)1表示第(n-1)个模块中与第2个模块相连的接口及连接关系信息，msd(n-1)2表示第n个模块中与第(n-1)个模块相连的接口及连接关系信息；

20、在对比差异时，针对长度相同的一对子链，对其子链连接描述矩阵对应元素作差处理，其差异矩阵为

21、differ_link＝sublink1'-sublink2'

22、差异矩阵中包含的零元素越多，认为两条单链的相似度越高，定义拓扑子链对相似度，为

23、

24、式中，sumlink表示待对比的两组子链中较长链的子链连接描述矩阵元素数量；samelink则代表差异矩阵中所有零元素的数量；

25、当待对比的两条子链长度不等时，通过在较短链的子链连接描述矩阵的第一行前或在最后一行后补零元素，使其与较长链的矩阵维度一致，根据缺失的长度不同，补零的位置也有差异，在确定其相似度时，选取相似度最高的补零位置，在补零过程中应遵循原链顺序不变的原则；

26、(2)子链匹配规则的建立：

27、在获得重构前后子链集合的前提下，对两个集合中的各子链进行匹配，旨在求取最佳的子链匹配关系，具体规则如下

28、1)对集合中各子链进行预处理，将单链中的模块编号信息从连接面信息中分离出来，仅保留接口值与连接方位值信息；

29、2)为保证获得子链间的最大相似度，分别计算初始拓扑子链集各个子链与目标拓扑子链集各个子链的相似度，以相似度作为子链对比的优先级；在相同相似度下，对比两链的长度，取长度最接近的两链作为匹配链；由此获得初始与目标拓扑子链集中各子链的匹配关系；

30、3)根据2)中所求子链的匹配关系，将子链对中子链长度相同的子链放入已匹配子链对集合中；将子链对中长度不匹配、且多余的连接关系放入待匹配子链集合中，将去除多余连接关系的子链对放入已匹配子链对集合中；当初始子链集中子链数量与目标子链集不相等时，存在部分子链未匹配的情况，一并放入待匹配子链集合中；

31、4)结合子链相似度与子链长度两个指标，对待匹配子链集合中的拓扑子链进行配对、分解，直至所有子链均获得唯一的映射关系；

32、(3)初始自重构序列的生成：

33、根据子链匹配结果，获得相应的模块编号对应关系，通过对比子链对之间的连接差异，以自重构序列的形式对需要进行断开/连接操作的模块进行描述，自重构序列由多个操作向量按一定顺序排列而成，其中，操作向量定义为

34、operate＝[vivjeijejidijop]

35、式中，vi、vj分别为待操作模块的编号；eij、eji分别为待操作模块的相应接口编号；dij为待操作模块的相应接口方位信息；op为操作类型标志，取值可为{-1,1}，当取值为1时，表示两模块进行连接操作，当取值为-1时，表示两模块进行断开操作。

36、上述方法中，依据所述模块化机器人初始自重构序列，考虑模块化机器人链式自重构运动约束，设计自重构序列重规划策略，包括：

37、(1)自重构序列重规划策略：

38、1)在重构过程中，若出现一个模块接口同时连接两个模块以上，则通过改变自重构序列的顺序对序列进行调整；

39、2)当执行对接操作的运动链存在对接点时，两运动链按照原序列执行自重构；

40、3)当执行对接操作的运动链因自由度太低而不存在对接点时，通过借助辅助链，协助完成对接操作；

41、4)当执行对接操作的运动链因在同一运动链中而不具备对接条件时，通过借助根模块，协助完成对接操作；

42、其中，辅助链通常选择除对接链外的最长链，辅助模块则选择根模块，在实际应用中，以实现重构对接为首要目标，选择合适的重构对接模式以完成自重构。

43、由以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下有益效果：

44、本发明实施例的技术方案中，依据模块化机器人拓扑学描述，对模块化机器人重构前后构形的拓扑图进行解构，获得重构前后的拓扑子链集合；进而，以子链对相似度评价指标为依据设计拓扑子链对比策略，求取满足拓扑图重构的初始自重构序列；在此基础上，考虑模块化机器人链式自重构运动约束，设计自重构序列重规划策略。提出的模块化机器人链式自重构序列规划方法，能够综合考虑模块化机器人在自重构过程中构形变化对其运动能力的影响，通过对初始自重构序列进行重规划，以保证自重构序列的可执行性。本方法针对自重构过程中模块化机器人运动约束的问题，以拓扑图重构序列为基础，设计模块化机器人自重构序列重规划策略，从而保证了链式自重构运动中自重构序列的可执行性，提升了模块化机器人自重构序列规划的成功率。