[發(fā)明專利]一種蛇形機(jī)器人位姿控制系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107139176B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白云;侯媛彬;劉琳;柴鈺;石巖;郭凡;何賽龍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安科技大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 上海精晟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司31253
• 代理人: 馮亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蛇形機(jī)器人位姿控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

1972年，日本東京大學(xué)的Hirose教授率領(lǐng)其科研團(tuán)隊(duì)研制出世界上第一臺蛇形機(jī)器人ACM(Active Cord Mechanism)，隨著研究的深入，出現(xiàn)了一系列的蛇形機(jī)器人，如ACM-R3機(jī)器人、ACM-R5機(jī)器人；經(jīng)過機(jī)器人防水處理后，ACM-R5又可實(shí)現(xiàn)水下的自由游動，其游動速度最低為0.9m/min。由美國密歇根大學(xué)研制的OmniTread機(jī)器人，該機(jī)器人總長度1270mm，總質(zhì)量13.6kg，最高爬行速度可達(dá)到0.1m/s，最高可翻越457mm高障礙物、跨660mm壕溝，其最大側(cè)翻角度為22°、最小轉(zhuǎn)彎半徑530mm。除此之外，德國國家信息技術(shù)研究中心先后研制出GMD-Snake和GMD-Snake2蛇形機(jī)器人，美國卡耐基梅隆大學(xué)研究了用于攀爬的模塊化蛇形機(jī)器人，挪威科技大學(xué)研制了無輪式的蛇形機(jī)器人Aiko和Kul lo等等。

中國科學(xué)院沈陽自動化所于2001年研制出一種模塊化可重構(gòu)的蛇形機(jī)器人，隨著研究的深入，該所研制出了三維蛇形機(jī)器人巡視者Ⅱ和探查者Ⅲ。巡視者Ⅱ全長約1.2m，組成巡視者Ⅱ的模塊為模塊化萬向單元，具有俯仰、偏航和回轉(zhuǎn)3自由度。回轉(zhuǎn)自由度的增加使機(jī)器人具有更高的運(yùn)動靈活性，探查者Ⅲ可實(shí)現(xiàn)水陸兩棲復(fù)雜環(huán)境的運(yùn)動。

綜上所述，國內(nèi)外蛇形機(jī)器人的研究取得了長足的進(jìn)展，然而，目前的蛇形機(jī)器人還存在以下缺陷和不足：①大多采用單軸轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，只具有平面運(yùn)動能力；②由三軸轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)組成的蛇形機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動，但對舵機(jī)的輸出力矩要求很高，從而導(dǎo)致機(jī)器人的尺寸大、功耗大、造價(jià)昂貴；③由于蛇體結(jié)構(gòu)尺寸大，導(dǎo)致運(yùn)動效果不理想，要想達(dá)到理想的運(yùn)動效果，就需要實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人小型化；④當(dāng)機(jī)器人遇到低矮障礙時(shí)，或外界干擾引起身形發(fā)生大幅度變化時(shí)，很難順利完成翻越運(yùn)動。

為了解決以上問題，有人提出了采用舵機(jī)和葉片輪式移動機(jī)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，其實(shí)現(xiàn)方便且成本低，體積小，避障和越障的功能強(qiáng)，對路面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是，現(xiàn)有技術(shù)中還缺乏適用于其的位姿控制系統(tǒng)。另外，蛇形機(jī)器人的多自由度和運(yùn)動的靈活性給蛇形機(jī)器人的位姿控制研究帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為使蛇形機(jī)器人能像生物蛇一樣靈活運(yùn)動，在位姿控制方面出現(xiàn)了多種控制方法，如離散曲線法、動力學(xué)或運(yùn)動學(xué)模型產(chǎn)生法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型產(chǎn)生法(如CPG：central pattern generator)等多種控制方法。

離散曲線法：以蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)模塊去擬合一條根據(jù)生物蛇的步態(tài)而定義的曲線，從而得到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的方法，也被稱為是“逆運(yùn)動學(xué)方法”。謝亞飛等人研制出一款水下蛇形機(jī)器人，蛇體由16個(gè)輕質(zhì)防水小舵機(jī)串聯(lián)而成，并對通過蛇形曲線實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動控制。離散曲線法具有實(shí)現(xiàn)簡單、易控制的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是調(diào)整參數(shù)時(shí)容易引起關(guān)節(jié)角速度、力矩的跳變導(dǎo)致發(fā)生舵機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象從而破壞舵機(jī)。

動力學(xué)模型或運(yùn)動學(xué)模型產(chǎn)生法：在國外，Ostrowski等人針對裝有三個(gè)從動輪的連桿型蛇形機(jī)器人，利用拉格朗日法建立了蜿蜒運(yùn)動動力學(xué)模型，并進(jìn)行可控制性分析。在國內(nèi)，程前等人基于運(yùn)動學(xué)模型提出了一種具有16個(gè)P-R-T模塊單元的蛇形機(jī)器人的越障方法。動力學(xué)模型或運(yùn)動學(xué)模型產(chǎn)生法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜精確的步態(tài)控制，缺點(diǎn)是建模過程困難，控制器計(jì)算量大，對未知環(huán)境適應(yīng)性較差。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(CPG)產(chǎn)生法：在蛇形機(jī)器人控制中，CPG控制得到了廣泛的應(yīng)用。CRESPI等人利用CPG模型實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人在水中和陸地的運(yùn)動控制。盧振利等人提出了基于循環(huán)抑制的CPG控制器，使蛇形機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動。CPG控制的優(yōu)點(diǎn)是便于集成環(huán)境信息從而使得蛇形機(jī)器人具有環(huán)境適應(yīng)能力，缺點(diǎn)是CPG模型中的控制參數(shù)需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

但是以上方法很不能很好地滿足葉片輪式蛇形機(jī)器人位姿控制的需求，因此，研究適用于葉片輪式蛇形機(jī)器人的新的位姿控制方法很有必要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電路結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)新穎合理、實(shí)現(xiàn)方便、工作可靠性高的蛇形機(jī)器人位姿控制系統(tǒng)。