多子体灵活收放的子母式机器人控制与协调研究

The marsupial robot achieves better adaptability to the environment and extension of available work space by the superior transportation capability of mother robot and flexible locomotion of daughters, which finds a wide variety of potential applications. Considering the multiple heterogeneous daughters in complex unknown environments, this project focuses on the control and coordination of marsupial robot for flexible dispensing and retrieving of multiple daughters, and it is significant in practice with a special academic value. The key research problems include the system framework, novel dispense-retrieve mechanism, intelligent perception and understanding, motion planning, task allocation and interactive coordination. By a three-dimensional layered daughter-cabin and an elevator car with two degrees of freedom, the challenge where the daughter is dispensed or retrieved arbitrarily without affecting the others may be solved. A novel radial symbol system with changeable structure is utilized for recognition and relative positioning to improve the adaptability. Based on the travelable passageway extracted from laser information combined with visual scene perception, the motion planning is executed and its performance is further improved by introducing the concept of extensibility. Supported by hierarchical structure, task allocation is converted into a multi-layer optimization problem under task constraints to improve the task-level coordination. The quality to retrieve the daughter over a long distance without dead zone is enhanced by multi-phase mother-daughter interactive coordination, which is based on visual servoing with the help of GPS or other positioning approaches. These researches provide some necessary supports for marsupial robot applied to military, search and rescue, hazardous materials handling, environmental investigation etc.

子母式机器人通过母体优越的运送能力和子体运动的灵活性，实现对环境适应性的提升和工作空间的有效拓展，应用前景广阔。本项目面向复杂未知环境下多异构子体的情形，开展多子体灵活收放的子母式机器人控制与协调研究，具有独特的学术价值和实际意义。在系统框架与收放机构、智能感知理解与运动规划、任务分配与交互协调等方面深入开展研究，通过立体分层式子体舱，配合轿厢两自由度运动，应对任意指定子体灵活收放的挑战；将丰富多变的放射形标识符号用于识别与相对定位，增强其适应性；基于激光传感信息结合场景视觉感知提取可行通道，并引入可延展性概念进一步提高运动规划的水平；借助分层式管理结构，将任务分配转化为任务约束下的多层次优化问题，提高任务级协调能力；以视觉伺服控制为主，借助GPS等定位手段，通过多阶段子母交互协调，提高远距离全方位回收的质量，为子母式机器人在军事、救灾救援、危险品处理、环境探测等方面的应用提供必要的支撑。

子母式机器人作为多机器人系统的代表性平台，将母机器人较强的运送能力和子机器人运动的灵活性有机结合起来，以实现对环境适应性的提升和工作空间的有效拓展，具有重要的学术研究价值和实际意义。本项目面向多子体灵活收放、环境理解能力提高、协调交互质量提升等挑战，在子母式机器人机构、环境理解与运动规划以及协调交互等方面取得了关键技术的突破。设计了子母式机器人系统的框架结构，开发了一种包括多个子舱和升降平台的升降式回收舱用于实现对指定子体的灵活收放，在此基础上，结合母机器人和子机器人的设计方案，研制出一母四子式多机器人系统，包括1台母机器人、1台轮式移动机械臂子机器人、2台履带型视觉子机器人以及1台四旋翼飞行器子机器人。面向机器人智能感知理解与运动规划，提出了一种基于标识符号的机器人相互识别与相对定位方法。同时，建立了基于人工视神经元的仿生视皮层模型，对其进行改进以实时产生机器人避障所需的障碍图，并提出了基于激光雷达的地标理解与位姿估计方法，以及融合仿生视觉和激光雷达的导航规划方法。此外，还提出了基于模糊趋近的移动机械臂目标抓取控制方法以及基于Bezier路径规划的移动机械臂自主抓取方法。在子母式机器人协调方面，构建了子母式机器人仿真平台，提出了以子母式机器人为基本单元的分层式任务分配方法，并开发了子母机器人协调物品搜索探测的策略以及四旋翼飞行器子机器人目标跟随的策略。提出了基于母机器人观测指引的子机器人回收方法以及基于子机器人视觉伺服的子母协调式回收方法，并开展了Leader子机器人脱离母机器人后引领随后出舱的Follower子机器人执行到指定区域进行协调物品更换的作业研究。上述取得的研究成果和关键技术为子母式机器人在救灾救援、危险品处理、环境探测等方面的应用提供了必要的理论技术支持。