一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法技术

本发明专利技术公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，涉及用于蛇形仿生机器人转弯运动的控制方法，属于机器人控制领域。本发明专利技术包括如下步骤：当φ<α时，采用切线控制方程控制实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度连续。当φ>α时，通过调节蛇形仿生机器人幅值角α，使得幅值角α增大到合适值，采用切线控制方程控制实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度连续，在转弯后，通过调节幅值角α恢复至转弯前的幅值角α，即实现转弯过程中蛇形曲线保持不变，转弯角度φ连续。本发明专利技术要解决的技术问题是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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法
本专利技术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切线控制方法,属于机器人控制领域。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对蛇形仿生机器人常用的三种转弯控制方法不足，本专利技术公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法要解决的技术问题是，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。本专利技术公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，包括如下步骤：步骤一：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，转弯角度φ是受幅值限制的，采用公式(1)的切线控制方程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，保证转弯角度连续。其中，α为幅值角，φ为转弯角度，b为比例系数，s1蛇形仿生机器人的运动距离，s2转弯时蛇形仿生机器人的运动距离。步骤二：当转弯角度φ大于幅值角α时，即当φ>α时，蛇形仿生机器人转弯控制前必须通过调节蛇形仿生机器人的幅值角α，使得幅值角α增大到合适值，所述的幅值角α合适值指转弯角度φ小于幅值角α的值，在调节蛇形仿生机器人的幅值角α的变幅值操作后，采用满足公式(1)的切线控制方程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；在蛇形仿生机器人转弯后，再次通过调节蛇形仿生机器人的幅值角α，使幅值角α减小恢复至转弯前的幅值角α。由于蛇形仿生机器人转弯时只调节幅值角α，保持转弯角度φ不变，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。为保证曲线连续性，缓解电机压力，需要在幅值角α角度变化率为0时，进行变幅值操作。有益效果：1、本专利技术公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，通过采用公式(1)的切线控制方程使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的运动角度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、本专利技术公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，通过调节幅值角α，可解决转弯角度受幅值限制问题。3、本专利技术公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，在幅值角α角度变化率为0时进行变幅值操作，在保证蛇形曲线及转弯角度φ连续性的同时，缓解电机压力。附图说明图1是切线控制和相位控制下蛇形仿生机器人运动轨迹对比图；图2是切线控制与相位控制下转弯角度变化对比图；图3是变幅值切线控制法下蛇形仿生机器人运动轨迹图；图4是切线控制下不同转弯角度的蛇形仿生机器人运动轨迹图；图5是增幅值处关节角度变化图；图6是切线转弯处关节角度变化图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实例，结合附图对本专利技术基于不同的幅值角和转弯角度进行详细说明。实施例1：本实施例公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，包括如下步骤：步骤一：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，转弯角度φ是受幅值限制的，直接采用公式(1)的切线控制方程使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的运动角度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，保证转弯角度连续。其中，α为幅值角，φ为转弯角度，b为比例系数，s1蛇形仿生机器人的运动距离，s2转弯时蛇形仿生机器人的运动距离。如图1所示，比较相位控制法和切线控制法对蛇形仿生机器人转弯的不同控制，可以从图中看到，两种方法都可以使蛇形仿生机器人准确的转弯。如图2所示，比较相位控制法和切线控制法对蛇形仿生机器人转弯角度变化对比，可以看出相位控制法控制下的蛇形仿生机器人在转弯处出现了明显的两次突变，而切线控制法控制下的蛇形仿生机器人，仅在转弯的位置上有一定变化，只要控制好转弯的时间就可以实现最佳的转弯控制。步骤二：当转弯角度φ大于幅值角α时，即当φ>α时，蛇形仿生机器人转弯控制前必须通过调节蛇形仿生机器人的幅值角α，使得幅值角α增大到合适值，所述的幅值角α合适值指转弯角度φ小于幅值角α的值，在调节蛇形仿生机器人的幅值角α的变幅值操作后，采用满足公式(1)的切线控制方程使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的运动角度φ和蛇形曲线；在蛇形仿生机器人转弯后，再次通过调节蛇形仿生机器人的幅值角α，使幅值角α减小恢复至转弯前的幅值角α。由于蛇形仿生机器人转弯时只调节幅值角α，保持转弯角度φ不变，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。如图3所示，当转弯角度φ大于幅值角α时，先进行增加幅值角α操作，在转弯结束后，再进行减少幅值角α操作，从图3中可以明显看出，轨迹图像被分为3段，A段为变幅值角α的蛇形轨迹，在此段幅值角α较小，B段为变幅值角α后的蛇形轨迹，此段幅值较大，为后面的切线控制法做好准备，C段为转弯后的蛇形轨迹，在此之后在减小幅值角α，变回期初的幅值角α，可以看出，变幅值角α操作不会影响机器人的运动方向，并且关节角度保持连续，完成转弯后，减小幅值角α使得蛇形曲线中波的个数减少，机器人前进速度加快。为保证曲线连续性，缓解电机压力，需要在幅值角α角度变化率为0时，进行变幅值操作。如图4所示，取初始幅值角α＝π/6时，设置转弯角度φ分别为15°、25°、35°、45°、55°和65°时，可以看出，的每一种转弯角度φ转弯都很准确，转弯半径小，效果明显。蛇形机器人根据不同的转弯角度φ选择是否进行幅值角α变换。例如，当φ＝15°时，满足φ<α，无需变幅值角α即可直接进行切线控制法转弯；当φ>α时，则在切线转弯之前要进行变幅值操作，如当φ＝35°时，在转弯前先将系统幅值角α增为α2＝50°，然后再进行切线控制法转弯；而当φ增至55°，此时进一步增大蛇形机器人的幅值角α使之为α2＝70°再进行转弯控制。如图5、图6所示，无论是在变幅值角α还是不变幅值角α情况下使用切线控制方法转弯的过程中，关节角度变化始终是连续的。故在切线控制方法的基础上进行变幅值角α操作可以扩大可转弯角度φ的范围，增强切线控制法的适用性。应该理解的是，本实施方式只是本专利技术实施的具体实例，不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：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，转弯角度φ是受幅值限制的，采用公式(1)的切线控制方程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，保证转弯角度连续；αcos(bs1)=αcos(bs2)+φs2=arccos(cos(bs1)-φ/α)---(1)]]>其中，α为幅值角，φ为转弯角度，b为比例系数，s1蛇形仿生机器人的运动距离，s2转弯时蛇形仿生机器人的运动距离；步骤二：当转弯角度φ大于幅值角α时，即当φ>α时，蛇形仿生机器人转弯控制前必须通过调节蛇形仿生机器人的幅值角α，使得幅值角α增大到合适值，所述的幅值角α合适值指转弯角度φ小于幅值角α的值，在调节蛇形仿生机器人的幅值角α的变幅值操作后，采用满足公式(1)的切线控制方程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；在蛇形仿生机器人转弯后，再次通过调节蛇形仿生机器人的幅值角α，使幅值角α减小恢复至转弯前的幅值角α；由于蛇形仿生机器人转弯时只调节幅值角α，保持转弯角度φ不变，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。...

【技术特征摘要】
1.一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的切线控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：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，转弯角度φ是受幅值限制的，采用公式(1)的切线控制方程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，保证转弯角度连续；其中，α为幅值角，φ为转弯角度，b为比例系数，s1蛇形仿生机器人的运动距离，s2转弯时蛇形仿生机器人的运动距离；步骤二：当转弯角度φ大于幅值角α时，即当φ&g...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓宏彬，王超，彭演宾，彭腾，赵娜，李东方，李科伟，张国秀，陈振满，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11