CN115598981B - 用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统 - Google Patents

用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统 Download PDF

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CN115598981B CN202211328006.2A CN202211328006A CN115598981B CN 115598981 B CN115598981 B CN 115598981B CN 202211328006 A CN202211328006 A CN 202211328006A CN 115598981 B CN115598981 B CN 115598981B
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Abstract

本发明提供了一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其包括：初始化正交关节蛇形机器人基本参数并设置CPG模型的控制参数初始值，确定正交关节蛇形机器人行进过程中的模态控制参数，求解CPG模型的模型参数和微分方程并获得控制参数，基于控制参数控制串行总线舵机执行动作，更新CPG模型的控制参数初始值，得到随时间变化的串行总线舵机角度位置，控制正交关节蛇形机器人的运动，并基于此提供一种分布式供电系统。本发明基于生物启发式的CPG控制方式，实现蛇形机器人在不同运动场景下的多模态运动，提高了蛇形机器人的运动灵活性、运动稳定性、环境适应性和续航性，减小了控制难度，且布线合理，电路结构复杂度低，模块化程度高。

Description

用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统
技术领域
本发明属于蛇形机器人技术领域，特别是一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统。
背景技术
蛇形机器人是一种以自然界中的生物蛇为模仿对象而设计的仿生机器人，与一般仿生机器人不同的是，蛇形机器人具有高冗余自由度且结构细长，这使其具有运动模态多、运动灵活、环境适应性强等特点，可以代替人类完成重复性强、危险性高的工作任务，如废墟搜救、工况检查、野外侦察、星际勘探等。
正交关节因其具有结构紧凑、控制简单、便于设计等优点，而被广泛用作蛇形机器人的连接方式。例如美国密西根大学设计的两种蛇形机器人Uncle Sam和Unified、日本东京工业大学设计的蛇形机器人ACM-R3、国内沈阳自动化研究所设计的蛇形机器人探查者III等采用的都是正交关节方式。然而，由于蛇形机器人本体结构细长、关节数量多的特点，其供电问题一直以来都没有得到有效解决。过去人们通常采用电源线连接外部电源和蛇形机器人关节电机的方式实现在线供电，但采用这种方式时电源线会限制蛇形机器人的运动范围，同时也会阻碍其正常运动。此外，蛇形机器人关节数量众多，经常有二十至三十多个，且其冗余自由度极高，这导致其运动控制非常困难。因此，为实现离线运动和多种模态的运动，寻求一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统，以提高蛇形机器人执行工作任务的能力和运动自适应性，是十分迫切且必要的。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法。该方法包括初始化正交关节蛇形机器人基本参数并设置CPG模型的控制参数初始值，确定正交关节蛇形机器人行进过程中的模态控制参数，求解CPG模型的模型参数和微分方程并获得控制参数，基于控制参数控制串行总线舵机执行动作，更新CPG模型的控制参数初始值，得到随时间变化的串行总线舵机角度位置，控制正交关节蛇形机器人的运动，并基于此提供一种分布式供电系统。其中CPG指的是Central pattern generators，即中枢模式发生器。本发明基于生物启发式的CPG控制方式，实现蛇形机器人在不同运动场景下的多模态运动，提高了蛇形机器人的运动灵活性、运动稳定性、环境适应性和续航性，减小了控制难度，且布线简单，电路结构复杂度低，模块化程度高。
本发明提供一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其包括以下步骤：
S1、初始化正交关节蛇形机器人基本参数并设置CPG模型的控制参数初始值：
S11、进行正交关节蛇形机器人基本参数初始化，所述基本参数包括正交关节个数n、关节个数N、关节长度l、振子频率ω、耦合增益α、吸引因子λ、分岔参数σ、波形个数Kn、偏航关节的波形初始角度ay、俯仰关节的波形初始角度ap、螺旋半径rs、螺距参数ps和弧形半径ra，其中所述关节个数N为所述正交关节个数n的两倍，即N＝2n；
S12、设置CPG模型首次计算前的控制参数初始值x0，且所述控制参数初始值x0为一个2N×1维的向量，且
Figure BDA0003912724590000021
Figure BDA0003912724590000022
表示实数向量；
S2、确定正交关节蛇形机器人行进过程中的模态控制参数：所述模态包括蜿蜒运动模态、行波运动模态、弧形滚动模态、侧移运动模态和螺旋攀爬模态；所述模态控制参数包括偏航振子的幅值参数ρy、俯仰振子的幅值参数ρp、同一个正交关节中偏航振子和俯仰振子之间的相位差φyp、相邻正交关节中两个偏航振子之间的相位差φy和相邻正交关节中两个俯仰振子之间的相位差φp；
S3、求解CPG模型的模型参数和微分方程，获得控制参数；所述模型参数包括振子变换矩阵Ti,j、变换矩阵D、关系矩阵L和耦合矩阵G：所述微分方程的数学模型表示为：
Figure BDA0003912724590000023
其中，
Figure BDA0003912724590000024
表示控制参数向量x的一阶导数；
Figure BDA0003912724590000025
表示去中心化控制参数向量；
Figure BDA0003912724590000026
表示CPG模型中的Hopf振子集合，
Figure BDA0003912724590000027
fH(xi)表示CPG网络中第i个Hopf振子；通过求解公式(1)，获得控制参数向量x的求解结果xr作为控制参数；
S4、基于控制参数控制串行总线舵机执行动作：
S41、提取关节角度：将每个关节对应的偏航振子或俯仰振子的第一个状态变量的值作为电机的转角位置xe：
Figure BDA0003912724590000028
其中，E表示常数矩阵；
S42、控制串行总线舵机执行动作：将提取的所述转角位置xe中每个元素的数值转化为串行总线舵机的角度位置，采用舵机控制指令控制串行总线舵机转动到指定的角度位置，进而控制正交关节蛇形机器人的运动；
S5、更新CPG模型的控制参数初始值：将获得的控制参数xr作为下次CPG模型求解的控制参数初始值x0，即x0＝xr；
S6、重复执行步骤S2至步骤S5，得到随时间变化的串行总线舵机角度位置，控制正交关节蛇形机器人的运动。
进一步，所述步骤S3中的所述振子变换矩阵Ti,j为第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的变换关系：
Figure BDA0003912724590000031
其中，σi和σj分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子的分岔参数；φi,j为第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子到第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的相位差；ρi和ρj分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子的幅值参数，且取值分别为：
Figure BDA0003912724590000032
所述变换矩阵D为2N×2N的对角块矩阵：
Figure BDA0003912724590000033
所述关系矩阵L为一个2N×2N的矩阵，且其矩阵块取值为：
Figure BDA0003912724590000034
其中，Li,i表示关系矩阵L中第i行第i列的对角矩阵块；Li,j表示关系矩阵L中第i行第j列的边矩阵块；wi,j表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接权值；wi,i表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接权值，且
Figure BDA0003912724590000035
I2表示对角单位矩阵，即
Figure BDA0003912724590000036
所述耦合矩阵G为：
Figure BDA0003912724590000037
可优选的，所述步骤S3中的所述控制参数向量x为
Figure BDA0003912724590000041
其中xi表示第i个控制参数，且有xi＝[ui,vi]T；所述去中心化控制参数向量
Figure BDA0003912724590000042
为
Figure BDA0003912724590000043
其中
Figure BDA0003912724590000044
表示第i个去中心化控制参数，且有
Figure BDA0003912724590000045
f(ui),f(vi)分别表示第i个Hopf振子的第一个去中心化状态变量和第二个去中心化状态变量，且为：
Figure BDA0003912724590000046
其中，ui和vi分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的水平状态变量和竖直状态变量；uc,i和vc,i分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的极限环的中心位置水平坐标和竖直坐标，且均为常数；
所述CPG网络中第i个Hopf振子fH(xi)为：
Figure BDA0003912724590000047
其中，
Figure BDA0003912724590000048
分别表示ui,vi的一阶导数。
可优选的，所述步骤S2中当模态为蜿蜒运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000049
当模态为行波运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA00039127245900000410
当模态为弧形滚动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000051
当模态为侧移运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000052
当模态为螺旋攀爬模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000053
其中，
Figure BDA0003912724590000054
分别表示螺旋攀爬的第一模态参数和第二模态参数，且有：
Figure BDA0003912724590000055
可优选的，所述关系矩阵L中wi,j表示为：
Figure BDA0003912724590000056
其中，e表示自然数；μg表示高斯函数均值；σg表示高斯函数方差；
Figure BDA0003912724590000057
表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接距离，且为：
Figure BDA0003912724590000058
其中，
Figure BDA0003912724590000059
表示奇数，
Figure BDA00039127245900000510
表示偶数。
可优选的，所述步骤S41中的所述常数矩阵E为：
Figure BDA0003912724590000061
本发明的另一方面，提供一种利用前述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法的分布式供电系统，其包括供电元胞和控制单元，所述供电元胞设有若干个，且所有所述供电元胞仅通过所述第一信号线串联成链式结构组成供电链，所述供电链安装于蛇形机器人本体中；所述控制单元通过所述第一信号线和所述供电链串联连接，组成供电控制链；所述供电元胞包括串行总线舵机、舵机电池、第一开关、第一信号线和第一电源线，所述串行总线舵机通过所述第一电源线与所述舵机电池相连，所述串行总线舵机通过所述第一信号线与所述控制单元相连；所述控制单元包括信号转换板、控制器、控制器电池、第一信号线、第二信号线、第二电源线和第二开关，所述控制器电池通过所述第二电源线和所述控制器连接，所述控制器通过所述第二信号线与所述信号转换板连接，所述信号转换板通过所述第一信号线和所述串行总线舵机相连。
可优选的，每个所述供电元胞中的所述串行总线舵机设有若干个，且所有所述串行总线舵机分别和蛇形机器人的各个关节一一对应；各个所述串行总线舵机同时通过所述第一信号线和第一电源线串联成链式结构组成舵机链，任一所述串行总线舵机通过所述第一电源线与所述舵机电池相连接；所述舵机电池和所连接的所述串行总线舵机之间设置有所述第一开关；所述控制器电池和控制器之间设置有所述第二开关。
可优选的，所述串行总线舵机的接口为RS232时，所述第一信号线包括信号线A且所述信号线A设有一根；所述串行总线舵机的接口为RS485时，所述第一信号线包括信号线A和信号线B，所述信号线A和信号线B均设有一根；所述第一电源线和第二电源线均设有一根电源线VCC和一根电源线GND。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
1、本发明设计的一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，基于生物启发式的CPG控制方式，通过设置不同的控制参数，可以实现蛇形机器人在不同运动场景下的多模态运动，提高了蛇形机器人的运动能力和环境适应性，减小了控制难度；不同模态之间的切换比较平滑，相比于传统的控制方法，所提方法能够有效解决蛇形机器人步态切换问题，提高了蛇形机器人的运动灵活性。
2、本发明设计的一种用于正交关节蛇形机器人的分布式供电系统，利用多个电池为蛇形机器人提供电力，大大提高了蛇形机器人的续航能力，使其在户外可以长时间执行任务，同时离线的供电方式提高了蛇形机器人的运动灵活性，扩大了运动范围；将多个电池均匀分布到蛇形机器人本体上，有利于蛇形机器人质量的均匀分布，使其在实现复杂运动模态的过程中保持身体的平稳，从而提高了蛇形机器人的运动稳定性。
3、本发明设计的一种用于正交关节蛇形机器人的分布式供电系统，利用串行总线舵机作为蛇形机器人关节的驱动，串行总线舵机通过信号线实现对各个舵机的控制，其布线简单，降低了电路结构的复杂度，便于对蛇形机器人的设计；可根据实际需求将供电元胞中包含不同数量的舵机，这种方式模块化程度高，便于对蛇形机器人进行模块化设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统流程图；
图2是本发明的正交关节蛇形机器人的行进模态为蜿蜒运动模态时的输出波形图；
图3是本发明的正交关节蛇形机器人的行进模态为行波运动模态时的输出波形图；
图4是本发明的正交关节蛇形机器人的行进模态为弧形滚动模态时的输出波形图；
图5是本发明的正交关节蛇形机器人的行进模态为侧移运动模态时的输出波形图；
图6是本发明的正交关节蛇形机器人的行进模态为螺旋攀爬模态时的输出波形图；
图7是本发明的正交关节蛇形机器人的行进过程中模态切换时的输出波形图；
图8是本发明的用于正交关节蛇形机器人的分布式供电系统的供电控制链示意图；
图9是本发明的用于正交关节蛇形机器人的分布式供电系统的供电元胞示意图；
图10是本发明的用于正交关节蛇形机器人的分布式供电系统的控制单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了本发明的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法及分布式供电系统，该方法包括以下步骤：
S1、初始化正交关节蛇形机器人基本参数并设置CPG模型的控制参数初始值，其中CPG指的是Central pattern generators，即中枢模式发生器。
S11、进行正交关节蛇形机器人基本参数初始化，基本参数包括正交关节个数n、关节个数N、关节长度l、振子频率ω、耦合增益α、吸引因子λ、分岔参数σ、波形个数Kn、偏航关节的波形初始角度ay、俯仰关节的波形初始角度ap、螺旋半径rs、螺距参数ps和弧形半径ra，其中关节个数N为正交关节个数n的两倍，即N＝2n。
S12、设置CPG模型首次计算前的控制参数初始值x0，且控制参数初始值x0为一个2N×1维的向量，且
Figure BDA0003912724590000081
Figure BDA0003912724590000082
表示实数向量。
S2、确定正交关节蛇形机器人行进过程中的模态控制参数。
模态包括蜿蜒运动模态、行波运动模态、弧形滚动模态、侧移运动模态和螺旋攀爬模态；模态控制参数包括偏航振子的幅值参数ρy、俯仰振子的幅值参数ρp、同一个正交关节中偏航振子和俯仰振子之间的相位差φyp、相邻正交关节中两个偏航振子之间的相位差φy和相邻正交关节中两个俯仰振子之间的相位差φp。
当模态为蜿蜒运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000083
当模态为行波运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000084
当模态为弧形滚动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000085
当模态为侧移运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000091
当模态为螺旋攀爬模态时，则模态控制参数设置为：
Figure BDA0003912724590000092
其中，
Figure BDA0003912724590000093
分别表示螺旋攀爬的第一模态参数和第二模态参数，且有：
Figure BDA0003912724590000094
在一个具体实施例中，正交关节蛇形机器人的行进模态为蜿蜒运动模态时的输出波形如图2所示，其行进模态为行波运动模态时的输出波形如图3所示，其行进模态为弧形滚动模态时的输出波形如图4所示，其行进模态为侧移运动模态时的输出波形如图5所示，其行进模态为螺旋攀爬模态时的输出波形如图6所示，其行进过程中模态切换时的输出波形如图7所示。
S3、求解CPG模型的模型参数和微分方程，获得控制参数。
模型参数包括振子变换矩阵Ti,j、变换矩阵D、关系矩阵L和耦合矩阵G。
振子变换矩阵Ti,j为第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的变换关系：
Figure BDA0003912724590000095
其中，σi和σj分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子的分岔参数；φi,j为第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子到第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的相位差；ρi和ρj分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子的幅值参数，且取值分别为：
Figure BDA0003912724590000101
变换矩阵D为2N×2N的对角块矩阵：
Figure BDA0003912724590000102
关系矩阵L为一个2N×2N的矩阵，且其矩阵块取值为：
Figure BDA0003912724590000103
其中，Li,i表示关系矩阵L中第i行第i列的对角矩阵块；Li,j表示关系矩阵L中第i行第j列的边矩阵块；I2表示对角单位矩阵，即
Figure BDA0003912724590000104
wi,j表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接权值；wi,i表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接权值，且
Figure BDA0003912724590000105
wi,j表示为：
Figure BDA0003912724590000106
其中，e表示自然数；μg表示高斯函数均值；σg表示高斯函数方差；
Figure BDA00039127245900001011
表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接距离，且为：
Figure BDA0003912724590000107
其中，
Figure BDA0003912724590000108
表示奇数，
Figure BDA0003912724590000109
表示偶数。
耦合矩阵G为：
Figure BDA00039127245900001010
微分方程的数学模型表示为：
Figure BDA0003912724590000111
其中，
Figure BDA0003912724590000112
表示控制参数向量x的一阶导数；
Figure BDA0003912724590000113
表示去中心化控制参数向量；
Figure BDA0003912724590000114
表示CPG模型中的Hopf振子集合，
Figure BDA0003912724590000115
fH(xi)表示CPG网络中第i个Hopf振子。Hopf振子是一种具有极限环特性的非线性振子，存在分岔行为，能够自激振荡产生谐波信号。
控制参数向量x为
Figure BDA0003912724590000116
其中xi表示第i个控制参数，且有xi＝[ui,vi]T。去中心化控制参数向量
Figure BDA0003912724590000117
为
Figure BDA0003912724590000118
其中
Figure BDA0003912724590000119
表示第i个去中心化控制参数，且有
Figure BDA00039127245900001110
f(ui),f(vi)分别表示第i个Hopf振子的第一个去中心化状态变量和第二个去中心化状态变量，且为：
Figure BDA00039127245900001111
其中，ui和vi分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的水平状态变量和竖直状态变量；uc,i和vc,i分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的极限环的中心位置水平坐标和竖直坐标，且均为常数。
CPG网络中第i个Hopf振子fH(xi)为：
Figure BDA00039127245900001112
其中，
Figure BDA00039127245900001113
分别表示ui,vi的一阶导数。
通过求解公式(1)，获得控制参数向量x的求解结果xr作为控制参数。
S4、基于控制参数控制串行总线舵机执行动作。
S41、提取关节角度：将每个关节对应的偏航振子或俯仰振子的第一个状态变量的值作为电机的转角位置xe：
Figure BDA00039127245900001114
其中，E表示常数矩阵，且为：
Figure BDA00039127245900001115
S42、控制串行总线舵机执行动作：将提取的转角位置xe中每个元素的数值转化为串行总线舵机的角度位置，采用舵机控制指令控制串行总线舵机转动到指定的角度位置，进而控制正交关节蛇形机器人的运动。
S5、更新CPG模型的控制参数初始值：将获得的控制参数xr作为下次CPG模型求解的控制参数初始值x0，即x0＝xr。
S6、重复执行步骤S2至步骤S5，得到随时间变化的串行总线舵机角度位置，控制正交关节蛇形机器人的运动。
本发明的另一方面，提供一种利用前述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法的分布式供电系统，其包括供电元胞和控制单元，供电元胞设有若干个，且所有供电元胞仅通过第一信号线串联成链式结构组成供电链，供电链安装于蛇形机器人本体中；控制单元通过第一信号线和供电链串联连接，组成供电控制链，如图8所示。
如图9所示，供电元胞包括串行总线舵机、舵机电池、第一开关、第一信号线和第一电源线，串行总线舵机通过第一电源线与舵机电池相连，串行总线舵机通过第一信号线与控制单元相连；每个供电元胞中的串行总线舵机设有若干个，且所有串行总线舵机分别和蛇形机器人的各个关节一一对应；各个串行总线舵机同时通过第一信号线和第一电源线串联成链式结构组成舵机链，任一串行总线舵机通过第一电源线与舵机电池相连接，舵机电池和所连接的串行总线舵机之间设置有第一开关。串行总线舵机的接口为RS232时，第一信号线包括信号线A且信号线A设有一根；串行总线舵机的接口为RS485时，第一信号线包括信号线A和信号线B，信号线A和信号线B均设有一根。第一电源线设有一根电源线VCC和一根电源线GND。
如图10所示，控制单元包括信号转换板、控制器、控制器电池、第一信号线、第二信号线、第二电源线和第二开关，控制器电池通过第二电源线和控制器连接，控制器电池和控制器之间设置有第二开关。控制器通过第二信号线与信号转换板连接，信号转换板通过第一信号线和串行总线舵机相连。第二电源线设有1根电源线VCC和1根电源线GND。
本发明设计的一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，基于生物启发式的CPG控制方式，通过设置不同的控制参数，可以实现蛇形机器人在不同运动场景下的多模态运动，提高了蛇形机器人的运动能力和环境适应性，减小了控制难度；不同模态之间的切换比较平滑，相比于传统的控制方法，所提方法能够有效解决蛇形机器人步态切换问题，提高了蛇形机器人的运动灵活性；所设计的分布式供电系统，利用多个电池为蛇形机器人提供电力，大大提高了蛇形机器人的续航能力，使其在户外可以长时间执行任务，同时离线的供电方式提高了蛇形机器人的运动灵活性，扩大了运动范围；将多个电池均匀分布到蛇形机器人本体上，有利于蛇形机器人质量的均匀分布，使其在实现复杂运动模态的过程中保持身体的平稳，从而提高了蛇形机器人的运动稳定性；利用串行总线舵机作为蛇形机器人关节的驱动，串行总线舵机通过信号线实现对各个舵机的控制，其布线简单，降低了电路结构的复杂度，便于对蛇形机器人的设计；可根据实际需求将供电元胞中包含不同数量的舵机，这种方式模块化程度高，便于对蛇形机器人进行模块化设计。
最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、初始化正交关节蛇形机器人基本参数并设置CPG模型的控制参数初始值：
S11、进行正交关节蛇形机器人基本参数初始化，所述基本参数包括正交关节个数n、关节个数N、关节长度l、振子频率ω、耦合增益α、吸引因子λ、分岔参数σ、波形个数Kn、偏航关节的波形初始角度ay、俯仰关节的波形初始角度ap、螺旋半径rs、螺距参数ps和弧形半径ra，其中所述关节个数N为所述正交关节个数n的两倍，即N＝2n；
S12、设置CPG模型首次计算前的控制参数初始值x0，且所述控制参数初始值x0为一个2N×1维的向量，且
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
表示实数向量；
S2、确定正交关节蛇形机器人行进过程中的模态控制参数：所述模态包括蜿蜒运动模态、行波运动模态、弧形滚动模态、侧移运动模态和螺旋攀爬模态；所述模态控制参数包括偏航振子的幅值参数ρy、俯仰振子的幅值参数ρp、同一个正交关节中偏航振子和俯仰振子之间的相位差φyp、相邻正交关节中两个偏航振子之间的相位差φy和相邻正交关节中两个俯仰振子之间的相位差φp；
S3、求解CPG模型的模型参数和微分方程，获得控制参数；所述模型参数包括振子变换矩阵Ti,j、变换矩阵D、关系矩阵L和耦合矩阵G：所述微分方程的数学模型表示为：
Figure QLYQS_3
其中，
Figure QLYQS_4
表示控制参数向量x的一阶导数；
Figure QLYQS_5
表示去中心化控制参数向量；
Figure QLYQS_6
表示CPG模型中的Hopf振子集合，
Figure QLYQS_7
fH(xi)表示CPG网络中第i个Hopf振子；通过求解公式(1)，获得控制参数向量x的求解结果xr作为控制参数；
S4、基于控制参数控制串行总线舵机执行动作：
S41、提取关节角度：将每个关节对应的偏航振子或俯仰振子的第一个状态变量的值作为电机的转角位置xe：
Figure QLYQS_8
其中，E表示常数矩阵；
S42、控制串行总线舵机执行动作：将提取的所述转角位置xe中每个元素的数值转化为串行总线舵机的角度位置，采用舵机控制指令控制串行总线舵机转动到指定的角度位置，进而控制正交关节蛇形机器人的运动；
S5、更新CPG模型的控制参数初始值：将获得的控制参数xr作为下次CPG模型求解的控制参数初始值x0，即x0＝xr；
S6、重复执行步骤S2至步骤S5，得到随时间变化的串行总线舵机角度位置，控制正交关节蛇形机器人的运动。
2.根据权利要求1所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述振子变换矩阵Ti,j为第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的变换关系：
Figure QLYQS_9
其中，σi和σj分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子的分岔参数；φi,j为第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子到第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的相位差；ρi和ρj分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子的幅值参数，且取值分别为：
Figure QLYQS_10
所述变换矩阵D为2N×2N的对角块矩阵：
Figure QLYQS_11
所述关系矩阵L为一个2N×2N的矩阵，且其矩阵块取值为：
Figure QLYQS_12
其中，Li,i表示关系矩阵L中第i行第i列的对角矩阵块；Li,j表示关系矩阵L中第i行第j列的边矩阵块；wi,j表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接权值；wi,i表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接权值，且
Figure QLYQS_13
I2表示对角单位矩阵，即
Figure QLYQS_14
所述耦合矩阵G为：
Figure QLYQS_15
3.根据权利要求1所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述控制参数向量x为
Figure QLYQS_16
其中xi表示第i个控制参数，且有xi＝[ui,vi]T；所述去中心化控制参数向量
Figure QLYQS_17
为
Figure QLYQS_18
其中
Figure QLYQS_19
表示第i个去中心化控制参数，且有
Figure QLYQS_20
f(ui),f(vi)分别表示第i个Hopf振子的第一个去中心化状态变量和第二个去中心化状态变量，且为：
Figure QLYQS_21
其中，ui和vi分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的水平状态变量和竖直状态变量；uc,i和vc,i分别表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子的极限环的中心位置水平坐标和竖直坐标，且均为常数；
所述CPG网络中第i个Hopf振子fH(xi)为：
Figure QLYQS_22
其中，
Figure QLYQS_23
分别表示ui,vi的一阶导数。
4.根据权利要求1所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其特征在于，所述步骤S2中当模态为蜿蜒运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure QLYQS_24
当模态为行波运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure QLYQS_25
当模态为弧形滚动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure QLYQS_26
当模态为侧移运动模态时，则模态控制参数设置为：
Figure QLYQS_27
当模态为螺旋攀爬模态时，则模态控制参数设置为：
Figure QLYQS_28
其中，
Figure QLYQS_29
分别表示螺旋攀爬的第一模态参数和第二模态参数，且有：
Figure QLYQS_30
5.根据权利要求2所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其特征在于，所述关系矩阵L中wi,j表示为：
Figure QLYQS_31
其中，e表示自然数；μg表示高斯函数均值；σg表示高斯函数方差；
Figure QLYQS_32
表示第i个关节对应的偏航振子或俯仰振子和第j个关节对应的偏航振子或俯仰振子间的连接距离，且为：
Figure QLYQS_33
其中，
Figure QLYQS_34
表示奇数，
Figure QLYQS_35
表示偶数。
6.根据权利要求1所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法，其特征在于，所述步骤S41中的所述常数矩阵E为：
Figure QLYQS_36
7.一种利用权利要求1至6之一所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法的分布式供电系统，其特征在于，其包括供电元胞和控制单元，所述供电元胞设有若干个，且所有所述供电元胞仅通过第一信号线串联成链式结构组成供电链，所述供电链安装于蛇形机器人本体中；所述控制单元通过所述第一信号线和所述供电链串联连接，组成供电控制链；所述供电元胞包括串行总线舵机、舵机电池、第一开关、第一信号线和第一电源线，所述串行总线舵机通过所述第一电源线与所述舵机电池相连，所述串行总线舵机通过所述第一信号线与所述控制单元相连；所述控制单元包括信号转换板、控制器、控制器电池、第一信号线、第二信号线、第二电源线和第二开关，所述控制器电池通过所述第二电源线和所述控制器连接，所述控制器通过所述第二信号线与所述信号转换板连接，所述信号转换板通过所述第一信号线和所述串行总线舵机相连。
8.根据权利要求7所述的分布式供电系统，其特征在于，每个所述供电元胞中的所述串行总线舵机设有若干个，且所有所述串行总线舵机分别和蛇形机器人的各个关节一一对应；各个所述串行总线舵机同时通过所述第一信号线和第一电源线串联成链式结构组成舵机链，任一所述串行总线舵机通过所述第一电源线与所述舵机电池相连接；所述舵机电池和所连接的所述串行总线舵机之间设置有所述第一开关；所述控制器电池和控制器之间设置有所述第二开关。
9.根据权利要求7所述的用于正交关节蛇形机器人的电控制方法的分布式供电系统，其特征在于，所述串行总线舵机的接口为RS232时，所述第一信号线包括信号线A且所述信号线A设有一根；所述串行总线舵机的接口为RS485时，所述第一信号线包括信号线A和信号线B，所述信号线A和信号线B均设有一根；所述第一电源线和第二电源线均设有一根电源线VCC和一根电源线GND。
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