CN109910001A - 一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法，仿蛇机器人混合三维步态是由平面波动、直线蠕动、侧向蜿蜒等基本运动交叉混合而生成的三维运动，其主要机理是在仿蛇机器人机体的不同部位采用不同的运动步态。不同仿蛇机器人运动由于运动机理不同而具备不同的运动特点和地形适应能力，而新型混合能够有效融合各类步态的运动特点和优势，同时弥补各单一步态的劣势，使仿蛇机器人能够同时具备多种运动步态的优势。新型混合三维步态能够扩展仿蛇机器人的运动步态种类，大大提升仿蛇机器人的运动能力，有效提高仿蛇机器人在不同环境中的灵活性与适应性。

Description

一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种融合现有仿蛇机器人运动步态优点的新型仿蛇机器人混合三维步态控制方法。

背景技术

灾后第一时间的现场救援至关重要，然而灾害现场环境复杂，救援人员无法进入灾害现场，给救援工作带来巨大的挑战。在战争、反恐等特种作战任务中，最快的潜入敌方阵地进行有效侦查往往能够占领信息制高点，夺取主动权，为取得作战的胜利起到至关重要的作用。而特种任务中地形复杂，给侦查任务带来了巨大风险和难以预测的阻力。因此研究能够代替人类执行灾害救援、特种任务信息侦查的机器人具有巨大的现实意义。生物蛇没有腿却可以在各种地形中自由运动，展现出超强的环境适应能力，人类以生物蛇为灵感研制了仿蛇机器人，仿蛇机器人可以模仿生物蛇的运动方式在各种环境中运动，且运动过程中隐蔽性强，这些特性使得仿蛇机器人能够在军事侦查、灾害搜集、管线巡检等领域展现出巨大的应用潜力。

目前仿蛇机器人的运动步态主要包括水平波动、直线蠕动和侧向蜿蜒，三种运动步态各有优缺点。水平波动运动依靠偏航关节的节律摆动实现前后运动，方向控制简单，能够适应于简单的平面地形，但所需运动空间较大，且对地面粗糙程度和摩擦力要求较高，在崎岖地形和面临障碍物时运动效果无法满足要求；直线蠕动运动依靠俯仰关节的节律摆动实现前后运动，控制简单、所需运动空间小，能够适应于狭窄的空间，但是其运动速度慢且运动效率低；侧向蜿蜒运动依靠偏航关节和俯仰关节的共同运动实现侧向运动，能够适用于各类地面环境，对地面的粗糙程度和摩擦力适应性较强，且运动速度快、效率高，但是运动方向不易控制且对运动空间要求较高。

能够满足人类需求的仿蛇机器人运动步态应该具备水平波动运动的可控性、直线蠕动运动的运动空间适应能力以及侧向蜿蜒运动效率，实现复杂工作环境下快速、高效的运动，然而目前尚未有充分满足以上要求的仿蛇机器人运动步态出现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供新型仿蛇机器人混合三维步态控制方法，解决目前仿蛇机器人运动步态适应能力不足、速度慢、效率低和对运动环境要求高等问题。混合三维步态具体措施是把不同运动步态在同一仿蛇机器人机体上进行融合，不同机体段进行不同的运动：对仿蛇机器人的前一段机体中对应的偏航关节输入水平波动运动控制信号，对后一段机体中对应的俯仰关节输入直线蠕动运动控制信号，则仿蛇机器人进行水平波动-直线蠕动混合运动；对仿蛇机器人的前一段机体中对应的偏航关节输入水平波动运动控制信号，对后一段机体中对应的偏航关节和俯仰关节输入侧向蜿蜒运动控制信号，仿蛇机器人进行水平波动-侧向蜿蜒混合运动；对仿蛇机器人的前一段机体中对应的俯仰关节输入直线蠕动运动控制信号，对后一段机体中对应的偏航关节和俯仰关节输入侧向蜿蜒运动控制信号，仿蛇机器人进行直线蠕动-侧向蜿蜒混合运动。新型仿蛇机器人混合三维运动步态除了具备原有单一运动步态优势以外，还可以通过多步态融合克服单一步态的劣势，通过设计相应的混合步态控制函数能够实现快速运动、自主越障和跟踪路径，使得仿蛇搜救机器人环境适应能力大幅度提升，适合执行地震、矿难搜救、管线检巡、战场情报侦查等任务。

本发明除了提出混合三维运动步态以外，还设计了相应的控制方法和运动控制函数。每种不同类型的混合三维步态均由不同的两种基础步态混合而成，在仿蛇机器人机体的不同部位进行不同的步态控制。同一种混合三维步态中基础步态的分离位置的不同和控制参数的不同会导致混合步态性能差异较大，因此本发明对于不同混合步态提出具体的控制方法，提升新型混合三维步态的性能。

本发明仿蛇机器人混合三维步态适应于复杂环境下的任务执行，当仿蛇机器人进入新的工作环境中，将通过以下步骤实现适应工作环境的三维混合步态运动的：

如图1，仿蛇机器人进入新的任务环境后，需要进行一下几步：①首先需要测量采集环境信息(地面摩擦力、坡度、可行路面宽度等)和任务需求(运动速度、工作时长、运动效率)；②综合分析环境信息和任务需求，选择适应工作环境、满足任务需求的的三维混合运动步态；③选择适当的混合步态分割点，确定混合步态控制函数中的参数n，根据环境信息确定混合步态控制方程中关键参数α和ω的取值范围，根据任务需求计算确定仿蛇机器人机体前、后两段基本步态的参数值α和ω；④根据混合步态方程计算出各个俯仰关节和偏航关节的实时转动角度；⑤将角度值输入到对应的关节中，实现仿蛇机器人的混合步态运动。

本发明仿蛇机器人三种混合三维步态，是采用以下技术方案实现的：

所述直线蠕动-水平波动运动，前半段机体进行直线蠕动运动，只对机体前半段中的俯仰关节输入直线蠕动运动相应控制信号；后半段机体进行水平波动运动，只对机体后半段中的偏航关节输入水平波动运动相应控制信号。

所述水平波动-侧向蜿蜒运动，前半段机体进行水平波动运动，只对机体前半段中的偏航关节输入水平波动运动相应控制信号；后半段机体进行侧向蜿蜒运动，对机体后半段中的俯仰关节和偏航关节输入侧向蜿蜒运动相应控制信号。

所述直线蠕动-侧向蜿蜒运动，前半段机体进行直线蠕动运动，只对机体前半段中的俯仰关节输入直线蠕动运动相应控制信号；后半段机体进行侧向蜿蜒运动，对机体后半段中的偏航关节和俯仰关节输入侧向蜿蜒运动相应控制信号。

通过上述步骤混合三维步态的选择和具体步态参数的设置，仿蛇机器人能够在满足复杂工况环境和任务需求的基础上选择合适的混合三维步态，并计算出精确的步态控制参数，进而计算出各个关节的转动角度，输入到机器人各个关节，实现仿蛇机器人的三维运动。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明的每一种混合三维步态由两种基本步态融合而成，在仿蛇机器人机体的不同部位进行不同种类的运动，能够根据环境状况和任务需求选择不同的步态组合方式、位置安排和运动控制方法。新型混合三维步态能够对基础步态进行深度融合，有效保留步态的优势，同时又能克服各单一步态的缺陷，能够有效提升仿蛇机器人的环境适应能力和运动性能。

新型混合三维步态的设计能够有效拓展仿蛇机器人步态种类，增加仿蛇机器人适用工况和任务，且控制方法简单，对于提升仿蛇机器人实用性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施的流程示意图；

图2是本发明的仿蛇机器人混合步态所依托的正交关节仿蛇机器人机构示意图；

图3是本发明的仿蛇机器人混合步态运用到的仿蛇机器人基本步态示意图；

图3.1是水平波动运动示意图；

图3.2是直线蠕动运动示意图；

图3.3是侧向蜿蜒运动示意图；

图4是本发明的仿蛇机器人新型混合三维步态示意图；

图4.1是本发明的直线蠕动-水平波动混合三维步态示意图；

图4.2是本发明的水平波动-侧向蜿蜒混合三维步态示意图；

图4.3是本发明的直线蠕动-侧向蜿蜒混合三维步态示意图。

图2中，本发明混合三维步态所依托的正交关节仿蛇机器人是由N_h个偏航关节和N_v个俯仰关节依次交叉连接而组成，根据期望步态对各个关节输入期望的关节摆动角便能实现整个机器人的运动。为方便描述，将第i个偏航关节在时间t时刻摆动角定义为α_h,i,t，将第j个俯仰关节在时间t时刻摆动角定义为α_v,j,t。

图3为本发明的混合三维步态所用到三种基础步态，包括水平波动、直线蠕动和侧向蜿蜒运动。

图3.1为本发明用到的水平波动运动步态。如图中所示，水平波动运动只需要所用的偏航关节有节律的摆动即可，不需要俯仰关节运动，其控制函数为：

其中N_h为偏航关节个数，N_v为偏航关节个数，A_h为偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h为偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h为偏航关节摆动角度函数的相位差。

图3.2为本发明用到的直线蠕动运动步态。如图中所示，直线蠕动运动只需要所用的俯仰关节有节律的摆动即可，不需要偏航关节运动，其控制函数为：

其中N_h为偏航关节个数，N_v为偏航关节个数，A_v为俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v为俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v为俯仰关节摆动角度函数的相位差, N为关节个数。

图3.3为本发明用到的侧向蜿蜒运动步态。如图中所示，侧向蜿蜒运动需要所用的偏航关节和所有的俯仰关节有节律的摆动，其控制函数为：

其中N_h为偏航关节个数，N_v为偏航关节个数，A_h为偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h为偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h为偏航关节摆动角度函数的相位差； A_v为俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v为俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v为俯仰关节摆动角度函数的相位差。

图4为本发明的混合三维步态，包括直线蠕动-水平波动运动、水平波动-侧向蜿蜒运动和直线蠕动-侧向蜿蜒运动。

图4.1为本发明的混合三维步态中的直线蠕动-水平波动运动。

图4.2本发明的混合三维步态中的水平波动-侧向蜿蜒运动。

图4.3本发明的混合三维步态中的直线蠕动-侧向蜿蜒运动。

具体实施方式

下文结合附图对本发明做进一步说明。

参见图4.1，本发明提供的仿蛇机器人直线蠕动-水平波动运动混合步态，；前n个关节执行直线蠕动运动，后面的关节执行水平波动运动。仿蛇机器人前、后段机体关节控制函数如下：

其中N_h为偏航关节的总数目，N_v为俯仰关节的总数目，n为两种步态分离位置，A_v为前段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v为前段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v为前段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差；A_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的相位差。

参见图4.2，本发明提供的仿蛇机器人水平波动-侧向蜿蜒运动混合步态，前 n个关节进行水平波动运动，后面的关节进行侧向蜿蜒运动。仿蛇机器人前、后段机体关节控制函数如下：

其中N_h为偏航关节的总数目，N_v为俯仰关节的总数目，n为两种步态分离位置，A_h1为前段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h1为前段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h1为前段机体偏航关节摆动角度函数的相位差；A_h2为后段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h2为后段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h2为后段机体偏航关节摆动角度函数的相位差；A_v为后段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v为后段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v为后段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差。

参见图4.3，本发明提供的仿蛇机器人直线蠕动-侧向蜿蜒运动混合步态，前 n个关节进行直线蠕动运动，后面的关节进行侧向蜿蜒运动。仿蛇机器人前、后段机体关节控制函数如下：

其中N_h为偏航关节的总数目，N_v为俯仰关节的总数目，n为两种步态分离位置，A_v1为后段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v1为后段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v1为前段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差；A_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的相位差；A_v2为后段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v2为后段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v2为后段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差。

Claims (4)

1.一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法，其特征在于：仿蛇机器人混合三维步态适应于复杂环境下的任务执行，当仿蛇机器人进入新的工作环境中，将通过以下步骤实现适应工作环境的三维混合步态运动的：

①首先需要测量采集环境信息和任务需求即运动速度、工作时长、运动效率；②综合分析环境信息和任务需求，选择适应工作环境、满足任务需求的的三维混合运动步态；③选择适当的混合步态分割点，确定混合步态控制函数中的参数n，根据环境信息确定混合步态控制方程中关键参数α和ω的取值范围，根据任务需求计算确定仿蛇机器人机体前、后两段基本步态的参数值α和ω；④根据混合步态方程计算出各个俯仰关节和偏航关节的实时转动角度；⑤将角度值输入到对应的关节中，实现仿蛇机器人的混合步态运动；

仿蛇机器人三种混合三维步态中：

所述直线蠕动-水平波动运动，前半段机体进行直线蠕动运动，只对机体前半段中的俯仰关节输入直线蠕动运动相应控制信号；后半段机体进行水平波动运动，只对机体后半段中的偏航关节输入水平波动运动相应控制信号；

所述水平波动-侧向蜿蜒运动，前半段机体进行水平波动运动，只对机体前半段中的偏航关节输入水平波动运动相应控制信号；后半段机体进行侧向蜿蜒运动，对机体后半段中的俯仰关节和偏航关节输入侧向蜿蜒运动相应控制信号；

所述直线蠕动-侧向蜿蜒运动，前半段机体进行直线蠕动运动，只对机体前半段中的俯仰关节输入直线蠕动运动相应控制信号；后半段机体进行侧向蜿蜒运动，对机体后半段中的偏航关节和俯仰关节输入侧向蜿蜒运动相应控制信号；

通过混合三维步态的选择和具体步态参数的设置，仿蛇机器人能够在满足复杂工况环境和任务需求的基础上选择合适的混合三维步态，并计算出精确的步态控制参数，进而计算出各个关节的转动角度，输入到机器人各个关节，实现仿蛇机器人的三维运动。

2.根据权利要求1所述的一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法，其特征在于：仿蛇机器人直线蠕动-水平波动运动混合步态，；前n个关节执行直线蠕动运动，后面的关节执行水平波动运动；仿蛇机器人前、后段机体关节控制函数如下：

其中N_h为偏航关节的总数目，N_v为俯仰关节的总数目，n为两种步态分离位置，A_v为前段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v为前段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v为前段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差；A_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的相位差。

3.根据权利要求1所述的一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法，其特征在于：仿蛇机器人水平波动-侧向蜿蜒运动混合步态，前n个关节进行水平波动运动，后面的关节进行侧向蜿蜒运动；仿蛇机器人前、后段机体关节控制函数如下：

其中N_h为偏航关节的总数目，N_v为俯仰关节的总数目，n为两种步态分离位置，A_h1为前段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h1为前段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h1为前段机体偏航关节摆动角度函数的相位差；A_h2为后段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h2为后段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h2为后段机体偏航关节摆动角度函数的相位差；A_v为后段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v为后段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v为后段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差。

4.根据权利要求1所述的一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法，其特征在于：仿蛇机器人直线蠕动-侧向蜿蜒运动混合步态，前n个关节进行直线蠕动运动，后面的关节进行侧向蜿蜒运动；仿蛇机器人前、后段机体关节控制函数如下：

其中N_h为偏航关节的总数目，N_v为俯仰关节的总数目，n为两种步态分离位置，A_v1为后段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v1为后段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v1为前段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差；A_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的幅值，ω_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的频率，δ_h为后段机体偏航关节摆动角度函数的相位差；A_v2为后段机体俯仰关节摆动角度函数的幅值，ω_v2为后段机体俯仰关节摆动角度函数的频率，δ_v2为后段机体俯仰关节摆动角度函数的相位差。