模块化机器人内部结构优化方法技术

本发明专利技术提供一种模块化机器人内部结构优化方法，包括：Q1获取用户输入的待装配在机器人模块内的元件并设置每一元件的空间位置约束；Q2根据用户输入的元件尺寸获取机器人模块的子模块边长S的候选集合；Q3选择候选集合中的一个取值，按预设元件顺序及相应空间位置约束获取一个内部结构的随机解及其对应全局能量函数值；Q4获取随机解的相邻解及其对应全局能量函数值，利用预设优化算法获得优化的内部结构；Q5判断是否遍历完上述候选集合，若是则获得的优化的内部结构为最终内部结构优化结果，否则返回步骤Q3，能克服现有模块化机器人结构设计需根据用户输入元件的不同类型手动设计的缺点，比现有人工依照经验进行结构设计的结果更优。

Modular robot internal structure optimization method

The present invention provides a modular method, optimize the internal structure of the robot including: Q1 get user input to be assembled in the robot module within the element and set the spatial constraints of each element; Q2 based on user input element size to obtain the robot module module edge length of S Q3 to select candidate candidate set a value; in the collection, according to the preset sequence element and the corresponding spatial constraints to obtain a random solution and the corresponding internal structure of the global energy function value; Q4 solution and its corresponding adjacent random global energy function value, use the default optimization algorithm to obtain the internal structure optimization; Q5 to determine whether the candidate set traversal finished, if the internal structure optimization is obtained for the final results of the internal structure optimization, otherwise returns to step Q3, can overcome the existing modular structure design of robot root According to the different types of user input components, the disadvantages of manual design are better than those of existing manual designs.

【技术实现步骤摘要】
模块化机器人内部结构优化方法
本专利技术涉及模块化机器人
，尤其涉及一种模块化机器人内部结构优化方法。
技术介绍
模块化机器人由大量相同的机器人模块组装而成，可以按照环境和任务的不同，灵活的改变构型。每个模块均可以视为一个简单的机器人单元，拥有处理能力，搭载着驱动器、传感器、电源、连接元件和通信元件。相较于传统固定构型机器人，模块化机器人通过增减某些模块或者对现有模块进行重新组合，可以由某种几何构型迅速变换为另一种适应新环境、新任务的构型。近年来，模块化机器人已成为学术界和工业界研究关注的热点。不同的模块化机器人外形差异较大，从模块结构来看，可分为单模块类型和双子模块类型。单模块的模块化机器人中每个模块相互分离，需要时再相互连接，如麻省理工学院提出的M-BLOCKS，宾夕法尼亚大学提出的SMORES等；双子模块的模块化机器人中每个模块由两个不可分离的子模块及连接件组成，如日本产业技术综合研究所提出的M-TRAN，洛桑联邦理工学院提出的Roombots等。目前，现有的双子模块内部结构设计方法需要人们手工完成，非常繁琐，当选择不同的元件时，往往需要人工重新设计，设计结果的好坏依赖设计人员的经验，很难保证得到较优结果。鉴于此，如何将用户根据模块化机器人的目标用途而选择的元件合理的布局于双子模块类型的机器人模块中成为目前需要解决的技术问题。
技术实现思路
为解决上述的技术问题，本专利技术提供一种模块化机器人内部结构优化方法，能够实现将用户输入的、待装配在双子模块类型的机器人模块中的元件进行自动合理的布局并在机器人模块内部相应位置生成支撑结构，从而得到一种优化的模块化机器人内部结构。本专利技术提供一种模块化机器人内部结构优化方法，包括：Q1、获取用户输入的待装配在机器人模块内的元件，并设置用户输入的每一元件的空间位置约束；Q2、根据用户输入的元件的尺寸，获取所述机器人模块的子模块的边长S的候选集合；Q3、选择所述边长S的候选集合中的一个取值，按照预设的元件顺序及相应的空间位置约束，获取一个内部结构的随机解及该随机解对应的全局能量函数值；Q4、获取所述随机解的相邻解及该相邻解对应的全局能量函数值，利用预设优化算法，获得优化的内部结构；Q5、判断是否遍历完所述边长S的候选集合，若是，则获得的优化的内部结构为最终内部结构优化结果，若否，则返回所述步骤Q3。可选地，所述机器人模块为双子模块类型的机器人模块，由两个子模块组成；所述两个子模块分别为公子模块和母子模块，所述公子模块和母子模块之间利用连接件固定连接，不可分离；通过一个机器人模块的公子模块伸出挂钩挂住另一个机器人模块的母子模块，实现两个机器人模块的连接，通过收回公子模块已伸出挂住的挂钩实现两个机器人模块的分离；所述公子模块和母子模块的外壳均为半圆柱体与长方体构成的联合体，其中，长方体的边长分别为S、S+1和S/2,半圆柱体的底面半圆的直径为S，半圆柱体的高为S+1，S为预设正数，通过将半圆柱体中长为S+1、宽为S的长方形平面叠加在长方体中长为S+1、宽为S的一个长方形平面上构成所述联合体，所述半圆柱体的两个底面半圆的圆心之间设置有旋转轴，所述公子模块和母子模块均可绕自身的旋转轴旋转180度；所述公子模块的外壳具有三个平面，每个平面的重心位置均设置有用于伸出和收回挂钩的一字形凹槽；所述母子模块的外壳具有三个平面，每个平面的重心位置均设置有用于挂住挂钩的凹槽。可选地，所述用户输入的待装配在机器人模块内的元件，包括：一个电池、两个主舵机、三个小舵机和两个控制电路板；其中，两个控制电路板设置在所述母子模块中；一个主舵机设置在所述公子模块中，与设置在所述母子模块中的控制电路板连接，用于根据与其连接的控制电路板发送的指令，控制所述公子模块绕自身的旋转轴旋转；另一个主舵机设置在所述母子模块中，与设置在所述母子模块中的控制电路板连接，用于根据与其连接的控制电路板发送的指令，控制所述母子模块绕自身的旋转轴旋转；所述三个小舵机分别设置在所述公子模块的三个平面上，分别与设置在所述母子模块中的控制电路板连接，其中，每一小舵机分别根据与其连接的控制电路板发送的指令，控制其所在公子模块平面中设置的挂钩的伸出和收回。可选地，所述步骤Q1在设置用户输入的每一元件的空间位置约束时，对任意元件ci，i＝1,2,…,8，选择其包围盒BBox(ci)上六个面中面积最大的两个面之一作为底面，利用五维坐标确定所述元件ci的位置，其中，为包围盒BBox(ci)的重心坐标，为用于指定包围盒BBox(ci)底面法线方向的两个球面角；相应地，所述用户输入的每一元件的空间位置约束，包括：约束1：任意元件ci的包围盒BBox(ci)在包含于ΩM(S)∪ΩF(S)，其中，ΩM(S)表示被所述公子模块的外壳所包围的区域，ΩF(S)表示被所述母子模块的外壳所包围的区域；约束2：所述公子模块中的三个小舵机SmallServom在相应的外壳平面上具有两个候选位置，其中m＝1,2,3，第m个小舵机的候选位置集合为：其中，为第m个小舵机的第1个候选位置，为第m个小舵机的第2个候选位置；约束3：令所述公子模块中的主舵机MainServo1的旋转轴与y轴重合，则所述公子模块中的主舵机MainServo1的五维坐标中的三个参数和被唯一确定，所述公子模块中的主舵机MainServo1的候选位置集合为约束4：所述公子模块中的主舵机MainServo1与所述母子模块中的主舵机MainServo2的y轴方向坐标相同：则在所述公子模块中的主舵机的候选位置确定后，所述母子模块中的主舵机MainServo2候选位置集合为约束5：所述电池battery、所述公子模块中的控制电路板ctrl1和所述母子模块中的控制电路板ctrl2的候选位置集合分别为Γbattery、和其中，和中的候选位置为五维坐标其中，ci＝battery,ctrl1,ctrl2。可选地，所述步骤Q2包括：根据用户输入的元件的尺寸，通过第一公式计算得到所述公子模块/母子模块中长度为S+1的边的长度最小值Smin+1，进而获得S的最小值Smin；根据用户输入的元件的尺寸，通过第二公式计算得到所述公子模块/母子模块中长度为S+1的边的长度最大值Smax+1，进而获得S的最大值Smax；以等差数列的形式在Smin和Smax之间选取预设数量个数值，组成边长S的候选集合；其中，所述第一公式为：Smin+1＝HMainServo+2×WSmallServo+2×WLink+τ，其中，HMainServo为主舵机机身部分的高度，WSmallServo为小舵机厚度，WLink为单个连接件宽度，τ为容差；所述第二公式为：其中，为公子模块中的控制电路板的厚度，为母子模块中的控制电路板的厚度，Wbattery为电池的厚度。可选地，所述步骤Q3包括：Q31、选择所述边长S的候选集合中的一个取值，根据所选择的S的取值和每一元件的空间位置约束，计算出每一元件ci的候选位置集合Γi；Q32、对每一元件ci，在其候选位置集合Γi中选择一个候选位置，并自动为该候选位置生成支撑结构，得到一个内部结构的随机解s；Q33、按照预设的元件顺序，判断当前内部结构s是否发生碰撞；Q34、针对未发生碰撞的内部结构s，分别计算其结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化机器人内部结构优化方法，其特征在于，包括：Q1、获取用户输入的待装配在机器人模块内的元件，并设置用户输入的每一元件的空间位置约束；Q2、根据用户输入的元件的尺寸，获取所述机器人模块的子模块的边长S的候选集合；Q3、选择所述边长S的候选集合中的一个取值，按照预设的元件顺序及相应的空间位置约束，获取一个内部结构的随机解及该随机解对应的全局能量函数值；Q4、获取所述随机解的相邻解及该相邻解对应的全局能量函数值，利用预设优化算法，获得优化的内部结构；Q5、判断是否遍历完所述边长S的候选集合，若是，则获得的优化的内部结构为最终内部结构优化结果，若否，则返回所述步骤Q3。

【技术特征摘要】
1.一种模块化机器人内部结构优化方法，其特征在于，包括：Q1、获取用户输入的待装配在机器人模块内的元件，并设置用户输入的每一元件的空间位置约束；Q2、根据用户输入的元件的尺寸，获取所述机器人模块的子模块的边长S的候选集合；Q3、选择所述边长S的候选集合中的一个取值，按照预设的元件顺序及相应的空间位置约束，获取一个内部结构的随机解及该随机解对应的全局能量函数值；Q4、获取所述随机解的相邻解及该相邻解对应的全局能量函数值，利用预设优化算法，获得优化的内部结构；Q5、判断是否遍历完所述边长S的候选集合，若是，则获得的优化的内部结构为最终内部结构优化结果，若否，则返回所述步骤Q3。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器人模块为双子模块类型的机器人模块，由两个子模块组成；所述两个子模块分别为公子模块和母子模块，所述公子模块和母子模块之间利用连接件固定连接，不可分离；通过一个机器人模块的公子模块伸出挂钩挂住另一个机器人模块的母子模块，实现两个机器人模块的连接，通过收回公子模块已伸出挂住的挂钩实现两个机器人模块的分离；所述公子模块和母子模块的外壳均为半圆柱体与长方体构成的联合体，其中，长方体的边长分别为S、S+1和S/2,半圆柱体的底面半圆的直径为S，半圆柱体的高为S+1，S为预设正数，通过将半圆柱体中长为S+1、宽为S的长方形平面叠加在长方体中长为S+1、宽为S的一个长方形平面上构成所述联合体，所述半圆柱体的两个底面半圆的圆心之间设置有旋转轴，所述公子模块和母子模块均可绕自身的旋转轴旋转180度；所述公子模块的外壳具有三个平面，每个平面的重心位置均设置有用于伸出和收回挂钩的一字形凹槽；所述母子模块的外壳具有三个平面，每个平面的重心位置均设置有用于挂住挂钩的凹槽。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述用户输入的待装配在机器人模块内的元件，包括：一个电池、两个主舵机、三个小舵机和两个控制电路板；其中，两个控制电路板设置在所述母子模块中；一个主舵机设置在所述公子模块中，与设置在所述母子模块中的控制电路板连接，用于根据与其连接的控制电路板发送的指令，控制所述公子模块绕自身的旋转轴旋转；另一个主舵机设置在所述母子模块中，与设置在所述母子模块中的控制电路板连接，用于根据与其连接的控制电路板发送的指令，控制所述母子模块绕自身的旋转轴旋转；所述三个小舵机分别设置在所述公子模块的三个平面上，分别与设置在所述母子模块中的控制电路板连接，其中，每一小舵机分别根据与其连接的控制电路板发送的指令，控制其所在公子模块平面中设置的挂钩的伸出和收回。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤Q1在设置用户输入的每一元件的空间位置约束时，对任意元件ci，i＝1,2,…,8，选择其包围盒BBox(ci)上六个面中面积最大的两个面之一作为底面，利用五维坐标确定所述元件ci的位置，其中，为包围盒BBox(ci)的重心坐标，为用于指定包围盒BBox(ci)底面法线方向的两个球面角；相应地，所述用户输入的每一元件的空间位置约束，包括：约束1：任意元件ci的包围盒BBox(ci)在包含于ΩM(S)∪ΩF(S)，其中，ΩM(S)表示被所述公子模块的外壳所包围的区域，ΩF(S)表示被所述母子模块的外壳所包围的区域；约束2：所述公子模块中的三个小舵机SmallServom在相应的外壳平面上具有两个候选位置，其中m＝1,2,3，第m个小舵机的候选位置集合为：其中，为第m个小舵机的第1个候选位置，为第m个小舵机的第2个候选位置；约束3：令所述公子模块中的主舵机MainServo1的旋转轴与y轴重合，则所述公子模块中的主舵机MainServo1的五维坐标中的三个参数和被唯一确定，所述公子模块中的主舵机MainServo1的候选位置集合为约束4：所述公子模块中的主舵机MainServo1与所述母子模块中的主舵机MainServo2的y轴方向坐标相同：则在所述公子模块中的主舵机的候选位置确定后，所述母子模块中的主舵机MainServo2候选位置集合为约束5：所述电池battery、所述公子模块中的控制电路板ctrl1和所述母子模块中的控制电路板ctrl2的候选位置集合分别为Γbattery、和其中，Γbattery、和中的候选位置为五维坐标其中，ci＝battery,ctrl1,ctrl2。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤Q2包括：根据用户输入的元件的尺寸，通过第一公式计算得到所述公子模块/母子模块中长度为S+1的边的长度最小值Smin+1，进而获得S的最小值Smin；根据用户输入的元件的尺寸，通过第二公式计算得到所述公子模块/母子模块中长度为S+1的边的长度最大值Smax+1，进而获得S的最大值Smax；以等差数列的形式在Smin和Smax之间选取预设数量个数值，组成边长S的候选集合；其中，所述第一公式为：Smin+1＝HMainServo+2×WSmallServo+2×WLink+τ，其中，HMainServo为主舵机机身部分的高度，WSmallServo为小舵机厚度，WLink为单个连接件宽度，τ为容差；所述第二公式为：其中，为公子模块中的控制电路板的厚度，为母子模块中的控制电路板的厚度，Wbattery为电池的厚度。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤Q3包括：Q31、选择所述边长S的候选集合中的一个取值，根据所选择的S的取值和每一元件的空间位置约...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永进，余旻婧，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11