10、模块化机器人系统M - TRAN的分布式变形控制

模块化机器人系统M - TRAN的分布式变形控制

1 引言

模块化机器人由众多自主模块组成，每个模块都配备了执行器、传感器和处理器。这些模块能够相互机械连接、通信与协作。即便单个模块的连接和运动自由度有限，整个系统仍可形成各种结构并进行灵活运动。自重构模块化机器人可自行控制模块间的机械连接并实现重构。

作为分布式自主系统，模块化机器人有望像生物一样具备灵活性、鲁棒性、容错性和适应性。目前，模块化机器人的硬件研究主要集中在两个方面： locomotion（移动）和 self - reconfiguration（自重构）。本文着重探讨通过分布式控制实现自重构。

此前，在CEBOT的开创性研究之后，开发了二维系统“Fracta”和“Metamorphic Robot”，均尝试通过分布式控制实现从任意配置到目标配置的变形。随后，又提出了多个三维机器人模块和各种算法。然而，三维系统的开发仍面临挑战，硬件性能很大程度上依赖于机械设计。多数已开发的机器人仅实现了小规模自重构，大规模自重构算法也仅通过仿真验证。实验验证困难主要归因于以下限制：
1. 生产的模块数量少；
2. 模块缺乏足够强度来操作或支撑结构；
3. 连接可靠性低、速度慢或功耗大。

为克服这些问题，开发了第三代原型M - TRAN III，其连接机制更快且功耗更低。还开发了机载分布式控制器，设计了变形的几何序列，并通过各种自重构实验验证了系统性能。

2 M - TRAN模块设计与自重构

2.1 基本设计

M - TRAN模块由两个块和一个链接组成。两个块形状相同，由半立方体和半圆柱体构成，无突出部分。两个块可绕各自