[發明專利]一種仿蛇搜救機器人適應性步態自主涌現方法

有效

• 申請號: 201811596803.2
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109719721B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 曹政才;肖清;黃冉;胡標;張東;耿鵬;李俊寬
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種仿蛇搜救機器人適應性步態自主涌現方法，針對仿蛇搜救機器人的特殊機械結構及其所處復雜動態非結構環境，使用深度強化學習理論設計相應的步態自主學習方法。此方法應用于仿蛇搜救機器人，可以通過不斷從環境中獲取信息生成最優控制策略，實現在復雜非結構的救援現場中仿蛇搜救機器人的適應性步態自主涌現。該方法使用分布式并行近似策略優化，將多個仿蛇搜救機器人間策略經驗相互共享，實現對未知救援環境的快速適應性學習。本發明解決傳統強化學習方法不能適應復雜非結構環境以及算法收斂速度慢、穩定性差等問題，更切合實際，能夠使仿蛇搜救機器人在搜救任務中自主生成適應性最優步態。

技術領域

本發明涉及仿生機器人技術領域，具體地說是指一種仿蛇搜救機器人適應性步態自主涌現方法。

技術背景

智能化的仿生機器人，尤其是仿蛇搜救機器人已被證明是擁有廣泛用途的機器人。仿蛇搜救機器人具有穩定性好、橫截面小、柔性等特點，能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復雜地形上行走，并可攀爬障礙物，這是以輪子或腿作為行走工具的機器人難以做到的。受生物蛇的啟發，仿蛇搜救機器人不是利用輪子，而是利用模塊之間的相對轉動，使身體彎曲伸張實現運動。可以由多種執行器結構實現驅動，目前大多利用伺服電機驅動。仿蛇搜救機器人由多個相同的模塊構成，各節有獨立的驅動系統。采用統一的車廂式結構和活動坐標式運動方式依靠軀體和地面間的相互作用實現驅動，它有多種運動形式，前進的動力和機構的運動形式有密切的關系。從運動角度考慮，它至少要有兩節模塊相連。如果有特殊的傳感器、執行器、電池時，它需要頭和尾兩模塊。模塊之間連接可以用關節或簡單的剛性連接。

由于模塊化結構的特點，仿蛇搜救機器人具有很高的靈活性，且可靠性和維護性高，適于在搜救任務中復雜多變的惡劣環境下作業。仿蛇搜救機器人多冗余的結構特性，使其能夠快速穿梭于崎嶇不平的地面，這使得仿蛇機器人尤其適用于搜救、偵察等任務。然而相比于傳統輪式或足式機器人，仿蛇搜救機器人這種多冗余欠驅動系統的運動控制難度要大很多，加之搜救任務中外界環境復雜多變，傳統機器人動力學分析方法及控制方法已不再適用于仿蛇搜救機器人。

近幾年來，世界各地的研究人員設計出各種各樣的仿蛇機器人，同時提出了一系列針對仿蛇搜救機器人的控制方法。Pettersen等人基于級聯控制和反饋線性化理論，提出了一種針對完整約束仿蛇機器人的路徑跟蹤控制方法。該方法使用牛頓歐拉法對完整約束仿蛇機器人進行動力學建模，再使用反饋線性化理論將高度非線性的微分方程轉化為線性模型，最后融合級聯控制方法實現仿蛇機器人的路徑跟蹤。 Fukushima等人在IEEETransactions on Robotics期刊上提出了使用螺旋驅動機理對仿蛇機器人進行建模與控制的方法。Kazuyuki等人研制了一種使用舵機與滑輪組帶有死鎖功能的半自動仿蛇搜救機器人。該機器人具有柔性被動關節，當遇到障礙物時能夠實現柔性避碰。Tang等人在IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS)上發表了基于被動錨點的仿蛇機器人直線運動步態研究。該研究使用完整約束對仿蛇機器人進行運動學建模，并通過對其進行關鍵參數分析，提升了直線運動步態的效率。雖然以上方法弄夠實現對仿蛇搜救機器人步態的控制，但仍然存在以下主要不足：(1)需要復雜繁瑣的運動學及動力學建模，理論分析的準確程度直接影響控制器的性能。當仿蛇機器人的關節數量或載荷發生變化時，需要重新進行建模分析，容錯性較低；(2)需要針對特定的機械結構或周圍環境設計步態控制方法，缺乏復雜動態環境適應性，難以適應實際搜救任務中復雜多變的動態非結構環境。

發明內容