CN105563483B - 一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，属于机器人控制领域。本发明包括如下步骤，引入用于调节幅值角α的幅值调整因子ζ，当φ<α时，采用方程组(5)控制实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。当φ>α时，蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯的操作和通过调节幅值调整因子ζ调节幅值角α，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的运动状态恢复到原始状态。本发明要解决的技术问题是，在具有切线控制法优点的基础上进一步减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性。

Description

一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的控制方法,尤其涉及一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，属于机器人控制领域。

背景技术

蛇形仿生机器人是一种多关节、高冗余、无肢结构的仿蛇机器人，具有运动稳定、运动形式多变、环境适应力强等优点，在战场突袭、救灾搜救、险境探测等许多领域都具有广泛的应用前景。

在蛇形仿生机器人行进当中，必然会遇到不可逾越的障碍物或者运动方向与目标之间有一定角度的情况，这就要求机器人能根据自身结构和当前环境做出方向调整，绕开障碍物或者调整方向对准目标前进。

传统的工业机器人相比，蛇形仿生机器人没有固定的基坐标，运动过程中关节转矩与转角有关，是具有非完整约束的动力系统，并且其关节数较多、长度都较大，使其运动学、动力学建模比串联机器人复杂得多。

目前，大多数仿生机器蛇常用的转弯控制方法有中心值控制法、相位控制法和幅值控制法，虽然可以实现机器人的转弯运动，但在实验中，中心值控制法转弯时机器人转弯角度不准确，关节角度变化幅度大，导致机器人抖动；相位控制法转弯时由于关节角度有明显的突变，造成了机器人各关节先后出现抖动现象；幅值控制法转弯半径较大、时间较长。

此外，蛇形仿生机器人的转弯运动切线控制法在变幅值操作时，存在下述三个缺点：(1)转弯时间长；(2)严重影响蛇形仿生机器人的运动稳定性；(3)完成转弯运动后，还需再次进行变幅值操作以加快机器人运动速度，增加了系统负担。

发明内容

本发明针对蛇形仿生机器人常用的三种转弯控制方法不足，以及蛇形仿生机器人的转弯运动切线控制法在变幅值操作时存在的下述两个缺点：(1)转弯时间长；(2)严重影响蛇形仿生机器人的运动稳定性。本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法要解决的技术问题是，具有切线控制法的优点，且在切线控制法上进一步减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，所述的切线控制法的优点指使蛇形仿生机器人转弯过程中和转弯后充分保持蛇形曲线保持不变，并且能够避免转弯角度受幅值限制、不连续的问题。

本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，包括如下步骤：

步骤一：为减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，引入用于调节幅值角α的幅值调整因子ζ(ζ＞0)，使得调节前的幅值角α₁和调节后的幅值角α₂满足公式(1)，

α₂＝ζα₁ (1)

步骤二：为保证变幅值后关节角度θ(s)变化的连续性，关节角度θ(s)应满足公式(2)，

θ(s)＝α₁cos(bs_f)＝α₂cos(bs_f)＝0 (2)

其中，b为比例系数，s_f为变幅值时刻蛇形仿生机器人的运动距离，所述的变幅值时刻选在曲线切线角度变化率最大处的时刻。

步骤三：当蛇形仿生机器人蛇头的方向运动到所需转弯角度φ时，利用如方程组(3)切线控制方程进行转弯运动，

其中：α₁＜φ＜α₂，s_z为转弯时刻蛇形仿生机器人的运动距离。

步骤四：蛇形仿生机器人进入转弯时，关节角度θ(s)和转弯角度φ需满足公式(4)，

步骤五：蛇形仿生机器人在转弯处通过公式(1)至(4)联立得到方程组(5)，使得关节角度θ(s)是连续的。

步骤六：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度φ小于幅值角α时，即当φ＜α时，幅值调整因子ζ＝1，即α₂＝α₁，无需调整幅值角α，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，即实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。

步骤七：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度φ大于幅值角α时，即φ＞α时，蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子ζ调节幅值角α，使得幅值角α增大到满足φ＜α的合适值后，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的幅值角α恢复到原始幅值角α，蛇形仿生机器人不必再进行调整幅值角α，实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，通过采用公式(1)至公式(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，可有效解决相位控制法出现转弯角度不连续的缺点。

2、本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，通过调节幅值角α，可解决转弯角度受幅值限制问题。

3、本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子ζ调节幅值角α完成转弯，蛇形仿生机器人的运动状态恢复到原始状态，系统不必再进行调整，可实现蛇形机器人运动转弯更准确、转弯时间更短，提高运动稳定性。

附图说明

图1是组合控制法下的蛇形仿生机器人运动轨迹图(其中：A处增幅值，B处减幅值并转弯)；

图2是组合控制下不同转弯角度的蛇形仿生机器人运动轨迹图；

图3是组合控制法下转弯处关节角度变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实例，结合附图对本发明基于不同的幅值角和转弯角度进行详细说明。

本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，包括如下步骤：

步骤一：为减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，引入用于调节幅值角α的幅值调整因子ζ(ζ＞0)，使得调节前的幅值角α₁和调节后的幅值角α₂满足公式(1)，

α₂＝ζα₁ (1)

步骤二：为保证变幅值后关节角度θ(s)变化的连续性，关节角度θ(s)应满足公式(2)，

θ(s)＝α₁cos(bs_f)＝α₂cos(bs_f)＝0 (2)

其中，b为比例系数，s_f为变幅值时刻蛇形仿生机器人的运动距离，所述的变幅值时刻选在曲线切线角度变化率最大处的时刻。

步骤三：当蛇形仿生机器人蛇头的方向运动到所需转弯角度φ时，利用如方程组(3)切线控制方程进行转弯运动，

其中：α₁＜φ＜α₂，s_z为转弯时刻蛇形仿生机器人的运动距离。

步骤四：蛇形仿生机器人进入转弯时，关节角度θ(s)和转弯角度φ需满足公式(4)，

步骤五：蛇形仿生机器人在转弯处通过公式(1)至(4)联立得到方程组(5)，使得关节角度θ(s)是连续的。

步骤六：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度φ小于幅值角α时，即当φ＜α时，幅值调整因子ζ＝1，即α₂＝α₁，无需调整幅值角α，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，即实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。

步骤七：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度φ大于幅值角α时，即φ＞α时，蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子ζ调节幅值角α，使得幅值角α增大到满足φ＜α的合适值后，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的幅值角α恢复到原始幅值角α，系统不必再进行调整，实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。

如图1所示，取α₁＝30°，ζ＝1.4，φ＝45°，由于φ＞α，所以在转弯过程中同时进行了增减幅值角α和转弯的操作，在A处增加幅值角α，在B处减小幅值角α，且在一个系统周期内同时完成，转弯时间少，转弯半径小，保留了切线控制法的转弯优势；完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的幅值角α参数恢复到原始幅值角α，蛇形仿生机器人不必再进行幅值角α调整，减轻了蛇形仿生机器人负担。

如图2所示，分别利用组合控制法实现40°、50°、60°和70°转弯角度φ的转弯运动，转弯时，蛇形仿生机器人先进行变幅值角α操作，待蛇头转到所需转弯角度φ时，将蛇形仿生机器人幅值角α恢复原始幅值角α并进行转弯，完成转弯后继续向前运动，转弯准确，效果明显。

如图3所示，采用组合控制法蛇形仿生机器人在1/4个周期内就完成了转弯运动；从关节角度的变化可以看出，与变幅值角α切线控制法相比，蛇形仿生机器人恢复到转弯前的幅值角α更快捷简单，蛇形仿生机器人更稳定。

应该理解的是，本实施方式只是本发明实施的具体实例，不应该是本发明保护范围的限制。在不脱离本发明的精神与范围的情况下，对上述内容进行等效的修改或变更均应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：为减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，引入用于调节幅值角α的幅值调整因子ζ(ζ＞0)，使得调节前的幅值角α₁和调节后的幅值角α₂满足公式(1)，

α₂＝ζα₁ (1)

步骤二：为保证变幅值后关节角度θ(s)变化的连续性，关节角度θ(s)应满足公式(2)，

θ(s)＝α₁cos(bs_f)＝α₂cos(bs_f)＝0 (2)

其中，b为比例系数，s_f为变幅值时刻蛇形仿生机器人的运动距离，所述的变幅值时刻选在曲线切线角度变化率最大处的时刻；

步骤三：当蛇形仿生机器人蛇头的方向运动到所需转弯角度φ时，利用如方程组(3)切线控制方程进行转弯运动，

θ(s_z)＝α₂cos(bs_z)＝φ

$\mathrm{\&theta;}\left(s\right)={\mathrm{\&alpha;}}_1\cos (b(s-s_z)+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})+\mathrm{\&phi;}---\left(3\right)$

其中：α₁＜φ＜α₂，s_z为转弯时刻蛇形仿生机器人的运动距离；

步骤四：蛇形仿生机器人进入转弯时，关节角度θ(s)和转弯角度φ需满足公式(4)，

$\underset{s\&RightArrow;s_z^{-}}{\lim }\mathrm{\&theta;}\left(s\right)=\underset{s\&RightArrow;s_z^{+}}{\lim }\mathrm{\&theta;}\left(s\right)=\mathrm{\&phi;}---\left(4\right)$

步骤五：蛇形仿生机器人在转弯处通过公式(1)至(4)联立得到方程组(5)，使得关节角度θ(s)是连续的；

$\mathrm{\&theta;}\left(s\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{1}cos\left(bs\right)& 0<s<s_f\\ {\mathrm{\&zeta;\&alpha;}}_{1}cos\left(bs\right)& s_f\&le;s\&le;s_z\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{1}cos\left(b\right(s-s_z)+\mathrm{\&pi;}/2)+\mathrm{\&phi;}& s\&GreaterEqual;s_z\end{array}\right.---\left(5\right)$

步骤六：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度φ小于幅值角α时，即当φ＜α时，幅值调整因子ζ＝1，即α₂＝α₁，无需调整幅值角α，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，即实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性；

步骤七：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度φ大于幅值角α时，即φ＞α时，蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子ζ调节幅值角α，使得幅值角α增大到满足φ＜α的合适值后，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的幅值角α恢复到原始幅值角α，蛇形仿生机器人不必再进行调整幅值角α，实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。