一種大規(guī)模晶格式模塊機器人系統(tǒng)的自修復方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器人控制方法技術領域，具體地，涉及一種大規(guī)模晶格式模塊機器 人系統(tǒng)的自修復方法，以實現系統(tǒng)在子模塊出現故障狀況下的自修復。
【背景技術】
[0002] 模塊機器人是由多個自主的智能模塊組成的機器人系統(tǒng)，利用模塊之間的連接性 和互換性，以及模塊自身傳感器感知到的周圍環(huán)境信息，通過大量模塊之間的相互操作改 變整體構形，擴展移動形式，實現不同的運動步態(tài)，完成相應的操作任務。這種機器人適 用于工作環(huán)境變化大，操作任務復雜的場合，如空間操作，救災搜索、戰(zhàn)場偵察、核電站維護 等。
[0003] 當系統(tǒng)中的若干個模塊機器人出現故障時，需要自主定位故障的模塊機器人位 置，識別故障類型。通過模塊之間的相互運動改變結構，使用正常的模塊將故障模塊替換， 這就是模塊機器人的自修復過程。
[0004]目前關于模塊機器人自修復研究已經成為一個熱點，自修復研究的關鍵是自修復 方法。現有的技術可分為集中式方法和分布式方法。
[0005] 集中式方法是指模塊機器人只作為執(zhí)行的終端，模塊機器人采集環(huán)境、連接等信 息，把信息傳給上位機。上位機對收集到的數據進行處理，把處理結果發(fā)送給每個模塊由模 塊去執(zhí)行操作，典型的有遺傳方法、有限狀態(tài)機、分治法。此類方法，上位機可以得到所有模 塊的信息，決策方便，一般不用考慮模塊之間的協調和沖突問題；其缺點是響應速度慢、對 模塊與上位機的通信要求高、上位機的負載大、上位機的故障會導致系統(tǒng)癱瘓。
[0006] 分布式方法中，每個模塊都裝有處理器，模塊自身通過獲得到的環(huán)境信息和自身 狀態(tài)進行決策。通過大量模塊的行為組合成整個機器人系統(tǒng)的動作。在分布式方法中沒有 上位機，所以模塊需要自己完成故障診斷和路徑規(guī)劃。
[0007] 在故障診斷方面，有Adaptive DSD方法。這種方法的思想是：從一個正常模塊開 始，首先檢測它的下一個模塊，若模塊異常，記錄故障跳過該模塊，若正常，把控制權交給下 一個正常模塊。Adaptive DSD方法不需要上位機存在，但需要有集線器連接各節(jié)點，當系統(tǒng) 的拓撲結構發(fā)生會變化時，此種方法顯然不適用。
[0008] 自主離散診斷方法（Autonomous Distributed Diagnosis Method，ADDM)。這種 方法的思想是把整個模塊機器人系統(tǒng)分成若干小的區(qū)域，每個區(qū)域中由Token Node主導， 使用Adaptive DSD方法進行故障檢測。這種方法適合于節(jié)點的通信范圍有限，無上位機的 情況。
[0009] 在路徑規(guī)劃方面比較著名的分布式方法有蟻群方法。然而，對于節(jié)點非常多的情 況，大部分螞蟻仍集中在出發(fā)點附近，向周圍擴散很慢，這使得用蟻群方法在處理診斷問題 方面效率很低。
[0010] 關于自修復相關的方法，Weimin Shen根據反應擴散模型的理論，提出了自組織的 數字激素調節(jié)模型。數字激素模型（Digital Hormone Model)可以概括為對于一個大規(guī)模 的多智能體系統(tǒng)，每個智能體看作一個細胞，細胞可以分泌激素。激素可以在細胞之間擴散 并且影響其它細胞的行為。激素可以有很多種類和不同的功能。通過給出激素分泌和擴散 的函數，使眾多智體在數字激素的引導下運動，整個系統(tǒng)就會形成有規(guī)則的構型。該方法已 經在小型鏈式模塊機器人上得到了較好的應用。然而，針對大規(guī)模晶格式模塊機器人修復 任務，該激素調節(jié)模型需要根據其特性，進行許多改進與完善，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與高效。

【發(fā)明內容】

[0011] 針對現有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種大規(guī)模晶格式模塊機器人系統(tǒng) 的自修復方法，該方法修復效率較高并且支持多模塊同時修復。
[0012] 為實現以上目的，本發(fā)明提供一種大規(guī)模晶格式模塊機器人系統(tǒng)的自修復方法， 所述方法包括故障診斷、激素分泌和自修復動作三個過程，故障診斷、激素分泌和自修復動 作三個過程互相調節(jié)，共同完成模塊機器人系統(tǒng)自修復；其中：
[0013] 所述故障診斷，檢測模塊機器人故障情況，估計故障規(guī)模，并觸發(fā)自修復事件；包 括如下步驟：
[0014] Sll :相鄰模塊通過對接機構的數據接口互相檢測是否存在故障或無響應；
[0015] S12:當檢測到相鄰模塊故障或無響應時，發(fā)送故障報文至故障接口沿順時針方向 的下一個正常接口；
[0016] S13 :當模塊接收到故障報文時，將自身ID添加到報文中，繼續(xù)發(fā)送故障報文至接 收報文接口順時針方向的下一個正常接口；
[0017] S14 :重復S13步驟若干次后，發(fā)出故障報文模塊會接收到自己發(fā)出的報文，并根 據報文中的ID判斷故障規(guī)模L，故障規(guī)模L作為修復路徑規(guī)劃的一個重要參數；
[0018] S15:觸發(fā)自修復事件；
[0019] 所述激素分泌，分泌系統(tǒng)網絡中的活化激素和抑制激素，活化激素和抑制激素在 網絡中進行擴散和衰減，并指導故障自修復的進行；包括如下步驟：
[0020] S21 :備用模塊分泌活化激素 Ca;
[0021] S22 :空穴附近的正常模塊分泌抑制激素 C1;
[0022] S23 :激素按照從高濃度到低濃度的原則進行擴散；
[0023] S24 :模塊內激素濃度以指數型規(guī)律衰減；
[0024] 所述自修復動作，根據空穴周圍的活化激素和抑制激素濃度，選擇空穴移動的目 標位置，并根據步態(tài)表進行分離、過渡、展開、結合，以完成空穴移動；包括如下步驟：
[0025] S31 :自修復事件觸發(fā)以后，進入自修復動作；
[0026] S32 :根據綜合評價參數P(N)決定空穴移動的目標位置，綜合評價參數P(N)由抑 制激素 C1和活化激素 C A決定；
[0027] S33 :根據目標位置，按照步態(tài)表進行分離、過渡、展開、結合，以完成空穴移動；
[0028] S34 :空穴移動到目標位置后，更新參與自修復動作的模塊在網絡中的拓撲信息；
[0029] S35 :自修復事件完成。
[0030] 優(yōu)選地，所述故障診斷程中，當模塊故障檢測完成后，系統(tǒng)把故障模塊從系統(tǒng)中脫 開，在故障模塊的位置下留下一個"空穴";修復系統(tǒng)的過程實際就是將"空穴"逐步移出系 統(tǒng)的過程。
[0031] 優(yōu)選地，激素分泌的S21中，所述活化激素(；是由故障模塊機器人移動的目的地， 即存放備用模塊機器人的設備分泌；其功能是維護自修復系統(tǒng)正常運動，引導故障模塊機 器人的移動，其分泌基本不受機器人網絡的影響，以接近常數的速度分泌；
[0032] 所述活化激素 Ca如公式（1)所示：
[0033] Cai= C Ao+hA (CaojM) ⑴
[0034] 其中：Caci是當前激素的濃度：Cai是下一個計算周期的激素濃度：h A是激素 Ca的分 泌函數:M是填補空穴的機構的工作能力；修復機構的工作能力M以正反饋的形式影響活化 激素 Ca的分泌，而當前激素的濃度會以負反饋的形式影響活化激素 C &的分泌。
[0035] 優(yōu)選地，激素分泌的S22中，所述抑制激素 C1* "空穴"周圍的正常模塊機器人分 泌，因此是多個模塊同時分泌的；其功能是阻止其他的"空穴"靠近，以防止"空穴"集中，形 成更大的空洞，造成系統(tǒng)機械強度降低；抑制激素(^是保證多空穴同時移動而互相不會干 涉的重要參數，因此抑制激素(^的分泌速度取決于當前網絡的環(huán)境和故障診斷判斷的故障 規(guī)模；
[0036] 所述抑制激素 C1如公式（2)所示：
[0037] C11=C1^h1(ClolL) (2)
[0038] 其中：Clci是當前激素的濃度，C "是下一個計算周期的激素濃度：h :是激素 C :的分 泌函數，L是故障規(guī)模；故障規(guī)模L以正反饋的形式影響抑制激素 C1的分泌，而當前激素的 濃度會以負反饋的形式影響抑制激素(^的分泌。
[0039] 優(yōu)選地，激素分泌的S23中：
[0040] 當模塊分泌激素之后，激素會沿著模塊與模塊之間的聯接擴散；整個機器人網絡 可以看作是節(jié)