自重構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的簡(jiǎn)單方法摘要在本文中，我們提出了基于角色的控制，這是一般的自下而上的方法，在自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。我們使用基于角色的控制，實(shí)施毛蟲，響尾蛇，并滾動(dòng)軌道中的CONRO8個(gè)模塊組成的自我重構(gòu)機(jī)器人步態(tài)。我們的實(shí)驗(yàn)和討論的基礎(chǔ)上，我們CON包括控制系統(tǒng)，基于角色的控制的基礎(chǔ)是最小的，健壯的通信錯(cuò)誤，和強(qiáng)大的偵察配置。關(guān)鍵詞：自重構(gòu)機(jī)器人;步態(tài);基于角色的控制介紹可重構(gòu)機(jī)器人是由一個(gè)獨(dú)立的模塊連接在一起，形成一個(gè)機(jī)器人的POS大量的機(jī)器人。如果重新配置機(jī)器人內(nèi)置的模塊可以連接和斷開，無需人工干預(yù)，機(jī)器人是自重構(gòu)機(jī)器人。參考圖1的自重構(gòu)機(jī)器人的模塊或參考其他物理實(shí)現(xiàn)描述的系統(tǒng)之一［7,8,10-15,17,21,231］。幾個(gè)潛在的自重構(gòu)機(jī)器人，比傳統(tǒng)文學(xué)上指出的更有優(yōu)點(diǎn)。?多功能性。模塊可以在相同的機(jī)器人系統(tǒng)，能夠執(zhí)行各種任務(wù)的不同方式相結(jié)合。?適應(yīng)性。雖然自重構(gòu)機(jī)器人執(zhí)行其任務(wù)，它可以改變其物理形狀以適應(yīng)環(huán)境的變化。?健壯性。自重構(gòu)機(jī)器人由許多相同的模塊，因此，如果一個(gè)模塊發(fā)生故障，它可以被另一個(gè)取代。?廉價(jià)生產(chǎn)。當(dāng)已獲得最終設(shè)計(jì)為基本模塊，它可以產(chǎn)生的質(zhì)量。因此，單個(gè)模塊的成本可以保持比較低的，盡管它的復(fù)雜性。自重構(gòu)機(jī)器人，可以解決傳統(tǒng)機(jī)器人相同的任務(wù)，但圖［23］機(jī)器人表明任務(wù)和環(huán)境先驗(yàn)往往是便宜，以建立一個(gè)專用機(jī)器人的應(yīng)用程序。因此，最適合自重構(gòu)機(jī)器人的應(yīng)用程序都可以從自重構(gòu)機(jī)器人的特殊能力取得一些杠桿的應(yīng)用。這些多功能機(jī)器人讓他們?cè)诤线m的情況下，機(jī)器人必須處理的任務(wù)范圍。該機(jī)器人還可以處理未知或動(dòng)態(tài)的環(huán)境中使用的任務(wù)，因?yàn)樗麄兡軌蜻m應(yīng)這些ENVI環(huán)境。在其中魯棒性的重要性的任務(wù)，它可能是最好使用自重構(gòu)機(jī)器人。自重構(gòu)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，即使仍然可以看到，大量的應(yīng)用程序已經(jīng)設(shè)想［17,23］：地震發(fā)生后，消防，搜尋和救援的戰(zhàn)場(chǎng)，行星探測(cè)，海底采礦，空間結(jié)構(gòu)建設(shè)。其他可能的應(yīng)用包括娛樂和服務(wù)機(jī)器人。如果在硬件和軟件方面的一些挑戰(zhàn)可以得到滿足，可實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)機(jī)器人的潛力。在這項(xiàng)工作中，我們專注于軟件的挑戰(zhàn)之一：我們?nèi)绾问勾罅康倪B接模塊執(zhí)行協(xié)調(diào)dinated的全局行為？具體來說，我們解決了如何設(shè)計(jì)，這將使自重構(gòu)機(jī)器人有可能locomote有效的算法。為了一個(gè)運(yùn)動(dòng)算法是有用的，它具有維護(hù)這些機(jī)器人的特殊性質(zhì)。從上述的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用，我們可以提取了這種控制算法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該算法應(yīng)該是分布式的，以避免單一故障點(diǎn)。算法的性能也應(yīng)該擴(kuò)展模塊的數(shù)量增加。它具有強(qiáng)勁的重新配置，重新配置，因?yàn)槭荰AL的自重構(gòu)機(jī)器人的基本能力。最后，這是可取的，有均勻的軟件運(yùn)行在所有的模塊，因?yàn)樗梢允谷魏文K接管另一個(gè)失敗。它是一個(gè)開放的問題，如果一個(gè)自上而下或自下而上的方法提供了最好的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，這是很難邪教組織在全球范圍內(nèi)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，再后來嘗試在地方一級(jí)執(zhí)行，因?yàn)榻?jīng)常硬件的屬性被忽略，一個(gè)緩慢的機(jī)器人系統(tǒng)，可能的結(jié)果。因此，我們使用一種自下而上的方法，其中單個(gè)模塊是設(shè)計(jì)的基本單元。也就是說，我們從全球設(shè)計(jì)的角度來看，從下往上的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)元素是單個(gè)模塊和與鄰國(guó)的互動(dòng)。然后，該系統(tǒng)的全球行為出現(xiàn)從當(dāng)?shù)馗鱾€(gè)模塊之間的互動(dòng)。SIM卡類似的方法也可用于由博季諾夫等［1,2］和巴特勒等人［4］。相關(guān)工作相關(guān)工作在這里提出，我們集中的自重構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法。Yim等［22,23］表明毛蟲般的局部運(yùn)動(dòng)和一個(gè)滾動(dòng)的軌道。步態(tài)控制表的基礎(chǔ)上，他們的系統(tǒng)控制。本表中的每一列代表一個(gè)模塊執(zhí)行的動(dòng)作。鉬然后獲得主同步從一行到下一過渡。這種方法的問題是，需要主機(jī)和模塊之間的通信量將限制它的可擴(kuò)展性。另一個(gè)問題是需要一個(gè)中央控制器，因?yàn)樗o出了系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。如果沒有掌握它建議模塊可以假定時(shí)間同步，每個(gè)模塊可以執(zhí)行其行動(dòng)開環(huán)列。然而，由于所有的模塊都是自治的，它是一個(gè)可疑的假設(shè)，假設(shè)所有的模塊，并能保持同步。為了使用的步態(tài)控制表，每個(gè)模塊需要知道哪些列執(zhí)行。這意味著該模塊需要的ID。此外，如果組態(tài)中變更或模塊數(shù)量改變表被改寫。Shen等［17］提出使用人工激素，同步模塊，以實(shí)現(xiàn)全球一致的運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)的早期版本1性激素傳播通過自重構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步。激素，在以后的工作也落后傳播同步之前，一個(gè)新的行動(dòng)啟動(dòng)［16,18］的所有模塊。這種同步需要時(shí)間為O（n），其中n為模塊的數(shù)目。這會(huì)減慢系統(tǒng)很大，因?yàn)樗忻總€(gè)動(dòng)作之前完成。此外，整個(gè)系統(tǒng)停止工作，如果失去一種激素。這是一個(gè)重大的問題，因?yàn)榧に乜梢院苋菀讈G失，由于不可靠的通信，可以一個(gè)模塊斷開響應(yīng)之前，或一個(gè)模塊失敗。事實(shí)上，該系統(tǒng)有n個(gè)故障點(diǎn)，這是不可取的。早期版本的比較好，在這個(gè)意義上說，但仍表現(xiàn)仍然很低，因?yàn)槊總€(gè)動(dòng)作之前發(fā)送一個(gè)同步激素。巴特勒等人［4］提出啟發(fā)CEL-lular的自動(dòng)方法。在他們的做法模塊鄰居模塊狀態(tài)的變化作出反應(yīng)。他們的做法是一種自下而上的方法，涉及到我們，但在細(xì)胞自動(dòng)機(jī)有沒有，只有時(shí)間序列的概念。時(shí)機(jī)是在運(yùn)動(dòng)的重要，因?yàn)樗巧a(chǎn)順利和生活類的運(yùn)動(dòng)，避免干運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。在我們所有的系統(tǒng)模塊反復(fù)關(guān)節(jié)的角度，描述了一個(gè)議案通過循環(huán)序列。這個(gè)序列可能來自步態(tài)控制表列，但在我們實(shí)施的關(guān)節(jié)角度計(jì)算使用一個(gè)循環(huán)周期T功能。通過子連接器的每一個(gè)模塊已經(jīng)完成了指定的分?jǐn)?shù)6期間消息的時(shí)間發(fā)送。如果信號(hào)接收子模塊復(fù)位的動(dòng)作序列，使得它推遲6相比父。這樣的單個(gè)模塊的行動(dòng)是從同步機(jī)制，更快和更可靠的SYS-TEM脫鉤。此外，也沒有必要進(jìn)行修改，如果模塊數(shù)量變化的算法?；诮巧目刂莆覀兗僭O(shè)模塊相連，形成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，指定一個(gè)父連接器，此連接器是唯一一個(gè)可以連接到其他模塊的孩子接頭。此外，我們假設(shè)該模塊可以與它們所連接的模塊進(jìn)行通信。該算法實(shí)例指定三部分組成。第一部分是一個(gè)循環(huán)的動(dòng)作序列(T)，其中tE[0：T]。T是第二個(gè)組成部分，需要指定的行動(dòng)序列的PE周期。(T)描述的交流，每個(gè)模塊重復(fù)循環(huán)周期后。在我們實(shí)施A(T)返回關(guān)節(jié)角度控制自由的CONRO模塊的兩個(gè)學(xué)位，但動(dòng)作序列，也可以用于觸發(fā)在不同的時(shí)間在一個(gè)周期的不同不同的行為。第三部分是延遲d。這種延遲指定的延遲他們的父母相比，孩子們的行動(dòng)序列期間的一小部分。骨架的算法如下：t=0while(true)(if(t=d)then<signalchildmodules>if〈parentsignals>thent=0<performactionA(t)>t=(t+1)modulusT}模塊一再忽略了兩個(gè)循環(huán)的第一線，經(jīng)過一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器參數(shù)eterized的行動(dòng)序列。這部分的算法僅可以使一個(gè)單一的模塊，反復(fù)執(zhí)行指定的動(dòng)作序列。為了協(xié)調(diào)行動(dòng)的各個(gè)模塊的生產(chǎn)需要同步的模塊所需的全局行為。因此，在步驟T=DA信號(hào)通過所有的子連接器發(fā)送。如果一個(gè)孩子收到一個(gè)信號(hào)，它知道，父母是在T=D，并有設(shè)置自身的一步計(jì)數(shù)器t=0時(shí)。這強(qiáng)制孩子被延遲D相比其母公司。從時(shí)間的模塊連接，它需要時(shí)間比例同步為所有模塊組態(tài)中的樹的高度d次。到最初避免不協(xié)調(diào)模塊的問題，我們要確保不啟動(dòng)模塊移動(dòng)，直到他們收到的第一個(gè)同步信號(hào)。啟動(dòng)階段后的模塊使用唯一不變的時(shí)間保持同步。實(shí)驗(yàn)裝置來評(píng)價(jià)我們的算法中，我們進(jìn)行了幾個(gè)前實(shí)驗(yàn)使用的CONRO(配置機(jī)器人)，其中之一是在圖模塊。1。CONRO模塊已在南加州大學(xué)/ISI[5,9]。模塊的大致形狀為矩形框測(cè)量確保10厘米X4.5厘米X4.5厘米，重達(dá)100克。該模塊在一端有一個(gè)母接頭和位于其他三個(gè)子接頭連接。每個(gè)連接有一個(gè)紅外線發(fā)射器和接收器，用于本地通信和遙感。該模塊有兩個(gè)可控的自由程度：螺距(上下)和偏航(邊到邊)。處理板載BASICSTAMP2處理器的照顧。模塊有內(nèi)建電池，但這些沒有提供足夠的電力，為這里的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并有脫穎而出的模塊通過電纜供電。參閱更多的細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)的視頻/conro報(bào)道。實(shí)驗(yàn)在本節(jié)中，我們描述了使用基于角色的控制實(shí)現(xiàn)三種不同的機(jī)車，步態(tài)。對(duì)于每個(gè)步態(tài)，我們選擇了我們的節(jié)目長(zhǎng)度作為控制算法的復(fù)雜性措施的報(bào)告。這些結(jié)果被用來支持我們的主張，所實(shí)施的控制系統(tǒng)是最小的。我們還報(bào)告的運(yùn)動(dòng)模式的速度，但是這應(yīng)該只能算是一個(gè)例子，原因是，在我們的系統(tǒng)的限制因素是如何強(qiáng)大的模塊物理，電機(jī)多么強(qiáng)大，多少力量，我們可以拉從電源。報(bào)告的最高時(shí)速是沒有意義之前，我們對(duì)電池運(yùn)行自主機(jī)器人。5.1卡特彼勒運(yùn)動(dòng)我們連接鏈中的我們的模塊，指定對(duì)面的是總接口。然后，我們執(zhí)行以下參數(shù)描述上面并的算法。俯仰和偏航測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，偏航和間距零均值，關(guān)節(jié)都直。我們的模塊電機(jī)控制所需的角度盡可能快的聯(lián)合去。這意味著路點(diǎn)必須指定為避免生澀的議案。周期T可以用來控制方式點(diǎn)的數(shù)量的議案，因此，平滑度和速度。動(dòng)作順序是圍繞0。，50。的俯仰角和偏航關(guān)節(jié)保持平直幅度的振蕩。每個(gè)模塊其父相比，延遲一段時(shí)間的五分之一。模塊連接后，他們同步，nize正弦波沿著旅行機(jī)器人的長(zhǎng)度參考圖。2。這將產(chǎn)生類似毛毛蟲在4厘米/秒的速度運(yùn)動(dòng)。請(qǐng)注意，很容易調(diào)整這項(xiàng)議案的參數(shù)。例如，波的長(zhǎng)度可控制使用的裁員。程序很簡(jiǎn)單。主循環(huán)包含13行代碼不包括注釋和標(biāo)簽（如圖2）。包括初始化變量和常量聲明為18行代碼。不像響尾蛇步態(tài)和毛毛蟲步態(tài)控制器，這種控制器只適用于8個(gè)模塊，由于物理約束。它有可能使麥的間距（T）和DAMOD模塊的功能更一般的解決方案。領(lǐng)導(dǎo)回路中的模塊數(shù)量可能得到包括在信號(hào)的跳數(shù)。處理一般配置我們看到在上一節(jié)，我們不得不在引入ID來找到配置中包含循環(huán)的一個(gè)獨(dú)特的領(lǐng)導(dǎo)者。的ID機(jī)制引入聯(lián)合國(guó)，幸運(yùn)的是廢墟的機(jī)會(huì)，利用同步nization算法自動(dòng)找到在樹結(jié)構(gòu)中的領(lǐng)導(dǎo)者，因?yàn)橥叫盘?hào)只能向下傳播配置樹中。事實(shí)上，循環(huán)算法將無法在這種情況下，除非模塊具有最高的ID，也正好是根。為了使同步chronization信號(hào)傳播樹中向上和向下的一般算法。討論算法控制的自重構(gòu)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的問題是算法仍然應(yīng)該在許多模塊組成的系統(tǒng)的有效?；诮巧目刂苾H僅是初步的模塊數(shù)量而定，因?yàn)樗腸ides多久同步信號(hào)的信號(hào)需要通過系統(tǒng)傳播。這個(gè)啟動(dòng)階段后，它需要保持恒定的時(shí)間MODULES花樣暗示，該算法的尺度。在基于角色的控制模塊運(yùn)行相同的親克，有沒有配置中的一個(gè)模塊寶位置的代表。因此，該系統(tǒng)是非常強(qiáng)勁的重新配置。事實(shí)上，在caterpil可以分為兩個(gè)和兩個(gè)部分仍然有效。如果他們都在以不同的順序重新連接，他們將很快同步再次作為一個(gè)毛毛蟲的行為。這也意味著，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的模塊故障。如果一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，它可以檢測(cè)此模塊可以從系統(tǒng)中彈出和重新連接可以時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行剩余的模塊。最后，如果一個(gè)同步信號(hào)丟失，這是不系統(tǒng)的生存至關(guān)重要。如果信號(hào)丟失，它只是意味著，一段時(shí)間后，將同步接收模塊及其附屬。在基于角色的控制同步信號(hào)每個(gè)周期只發(fā)送一次。這意味著，為了讓模塊保持同步的時(shí)間來完成一個(gè)時(shí)期是相同的所有模塊。在這里的實(shí)驗(yàn)周期采取相同的時(shí)間內(nèi)，但在更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的其他部分使用隨機(jī)金額的計(jì)算時(shí)間，這不能被認(rèn)為是真實(shí)的。這個(gè)問題可以很容易地通過使用定時(shí)器處理。定時(shí)器，即使是不準(zhǔn)確的，足以讓他們可以用于此目的的很長(zhǎng)一段時(shí)間在一個(gè)同步的模塊。在這里工作，我們有什么可以實(shí)現(xiàn)用盡可能簡(jiǎn)單的控制算法。在相關(guān)工作中，我們已經(jīng)研究了如何我們可以擴(kuò)展的算法，以處理更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。我們已經(jīng)表明如何實(shí)現(xiàn)在CONRO系統(tǒng)［1