一种仿蛇机器人控制方法技术

本发明专利技术公开了一种仿蛇机器人控制方法，涉及仿蛇机器人的运动规划与控制领域，主要包括以下部分：建立基于速度分解的仿蛇机器人动力学模型，设计指数稳定控制器实现其运动控制；建立仿蛇机器人刚度模型，结合动力学构造刚度与能量方程，采用多目标优化算法对刚度和能量进行优化；最后通过控制关节刚度实现仿蛇机器人形态的稳定，达到外部环境的外力冲击作用下仿蛇机器人的稳定运动，提高仿蛇机器人的环境适应能力。

A Control Method of Snake-like Robot

【技术实现步骤摘要】
一种仿蛇机器人控制方法
本专利技术涉及机器人工程研究领域，具体是指基于形态稳定运动控制要求的一种仿蛇机器人控制方法。
技术介绍
仿蛇机器人由于自由度高，行动灵活使得其在化工、地震等灾后复杂危险环境下的应用越来越广泛，但应对复杂环境，仿蛇机器人结构设计和控制方法上还存在一定不足，为提升仿蛇机器人在动态非结构复杂环境下的运动效能，实现其运动形态稳定性，基于前述仿蛇机器人柔性驱动结构，设计一种变刚度的仿蛇机器人形态稳定控制新方法。当前仿蛇机器人多采用模块化结构，多刚体模块关节组成多自由度的仿蛇机器人在给定环境中具备较好的运动灵活性和形态稳定性，但应对如碰撞、跌落等突发状况的运动控制仍有较大的问题，而目前仿蛇机器人研究多为应对较为简单、结构化环境下的进行材料结构和运动控制设计，无法拓展仿蛇机器人在复杂非结构化环境中的运动能力。拓展仿蛇机器人在复杂非结构化环境中运动，为提高其运动形态稳定性，需要仿蛇机器人具备一定的抵抗外力撞击、冲击的特点，除结构上具备柔性特征外，还需要一种形态稳定控制方法。因此本领域的技术人员致力于开发出一种变刚度仿蛇机器人形态稳定控制方法，使得仿蛇机器人运动过程中能够抵抗一定程度冲击，减小外力对仿蛇机器人运动的影响以提升其环境适应性。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种基于形态稳定运动控制要求的一种仿蛇机器人控制方法，在非结构化复杂环境中，将外部冲击、碰撞产生的力对仿蛇机器人机体运动造成的影响减少至最低，以便仿蛇机器人以稳定形态穿越复杂障碍环境或进入狭小空间实现搜救作业。为实现上述功能，本专利技术提供仿蛇机器人形态稳定控制方法主要包含以下步骤：步骤一：建立基于速度分解的仿蛇机器人动力学模型，具体为依据仿蛇机器人结构特性与步态约束设计动力学方程，具体表述为：为向量q＝(x，y，θ1，θ2…θn)的微分量，表征机器人质心速度、模块角速度等运动特征，其中(x，y)表征仿蛇机器人全局坐标系下质心坐标，θi为第i个关节模块的几何中心与全局x轴的水平夹角；v1、v2分别表征全局坐标系下仿蛇机器人质心速度切向、法向分量基底；E1、E2分别表征切向与法向质心速度分量基底的增益；分别为质心速度切向、法向加速度；τm＝[τm1τm2…τm(n-i)]T为n-1维行向量转置，τmi表征第i关节电机驱动下输出力矩；a、b、P1i、P2i为表征运动参数与关节数目、关节角度的相关变量，分别如下定义为：其中l、m、n分别为仿蛇机器人关节模块长度、模块质量及关节数目；E1、E2如上述所述为质心速度切向、法向速度基底增益，表征第i+1个关节与第i个关节全局水平夹角差，即相邻关节相对夹角，其中k取值范围为1～n-1；具体表述为：步骤二：建立仿蛇机器人刚度模型，由于仿蛇机器人各关节运动轨迹与头部关节轨迹重合且仅存在相位差，为缓解外部冲击对关节运动造成的影响，建立刚度计算模型求解外力冲击时关节刚度的变化特点。考虑动态刚度模型及关节动力学，定义仿蛇机器人头部关节刚度方程为：Kx＝J(q)-T(Kθ-Kc)J(q)-1其中J(q)-T为运动模态雅克比逆转置矩阵，J(q)-1为运动模态雅克比逆矩阵；Kθ为n-1维对角矩阵，；Kc为n-1维外力作用刚度变化矩阵，具体描述如下所示：Kθ为刚度参数对角矩阵，其中ki表示第i个关节的刚度参数；Kc为协同补偿矩阵，取运动模态雅克比转置矩阵对全局关节角θi偏微分量与外部合力的积，用于补偿关节运动过程中刚度变化量，J(q)T为运动模态雅可比转置矩阵；其中f为仿蛇机器人头部关节所受外部冲击力矢量和。控制系统引入指数积稳定控制器方法优化系统，定义初始输出力矩τm＝[τm1τm2…τmn-1]T，能量消耗方程取关节力矩τm平方值与刚度参数ki平方值加权和，定义如下：f2＝Kx为实现仿蛇机器人形态稳定快速高效要求，需要求解能量消耗方程与刚度方程得到最优解使得能量消耗尽可能小而刚度方程取值尽可能大，以最小能量减小外部冲击力对仿蛇机器人运行稳定性影响。步骤三：根据上述控制要求，引入多目标优化方法将能量方程f1、刚度方程f2转化为多个子方程，融合进化算法优化多个子方程求得最优解。附图说明图1是本专利技术的仿蛇机器人结构示意图；图2是本专利技术的刚度值X、Y轴分量图；图3是本专利技术的仿蛇机器人第一、四节输出力矩示意图；图4是本专利技术的仿蛇机器人ADAMS碰撞仿真图(无稳态方法)；图5是本专利技术的仿蛇机器人ADAMS碰撞仿真图(有稳态方法)；图6是本专利技术的实体样机静态条件下碰撞实验验证效果图；图7是本专利技术的实体样机运动状态下碰撞实验验证效果图；图8是本方法实施流程图。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的仿真及实体样机验证效果，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。图1所示为本专利技术仿蛇机器人以多节正交关节连接驱动的机构及H头部关节、T尾部关节为实现基础，提供形态稳定控制方法的仿真模型原型及样机验证测试平台。图2所述为采用本专利技术的形态稳定控制方法后在水平运动X、Y轴方向刚度变化示意图，在4.5秒加入外部冲击力，对应X轴与Y轴方向经方法调整仍处于周期性变化，相较于碰撞前刚度数值显著提升，减弱外力冲击对各关节的影响。图3所示为第一、第四关节力矩变化示意图(其他关节扭矩变化类似)，在控制方法作用下，外力撞击后头部X、Y轴方向刚度明显增加但第一、四关节对应力矩输出曲线无较大波动变化，运动输出未受较大影响，保证了仿蛇机器人形态稳定。图4所示为无变刚度形态稳定控制方法下的仿蛇机器人运动ADAMS仿真效果示意图，仿蛇机器人初始状态下按照蜿蜒曲线行进，在受到外部冲击或撞击力后，无控制方法进行关节刚度及输出力矩调整，运动方向发生偏移，最终脱离原运行轨迹。图5所示为加入变刚度形态稳定控制方法的仿蛇机器人ADAMS仿真效果示意图，受到外力冲击或撞击后，初始蜿蜒曲线根据控制方法进行调整，增加关节动态刚度输出值并改变关节步态，保证运动方向与原运动方向基本相同。图6所示为实验样机静止状态下有无控制方法前后受到外部碰撞冲击后形态对比示意图，图中(a)图表示在未加入控制方法前，外力冲击各关节无法调整关节刚度导致关节形态发生明显改变，图(b)表示加入控制方法后对外部冲击关节形态基本未发生变化，抵消外部冲击造成的影响。图7所示为运动状态下，仿蛇机器人采用控制方法前后受外部冲击后形态变化示意图，图中(a)表示无控制方法仿蛇机器人蜿蜒运动受碰撞后运动方向发生较大偏移，图中(b)表示加入控制方法后仿蛇机器人运动方向变化较小，基本保持原运行状态及轨迹。本专利技术提出一种仿蛇机器人控制方法，主要包含以下步骤：步骤一：基于速度分解建立仿蛇机器人动力学模型。具体表述为仿蛇机器人多关节连接运动过程满足位移与速度约束，为减小一般的仿蛇机器人动力学模型的复杂性，基于速度分解原则建立仿蛇机器人动力学方程，获取运动过程中正向运动坐标解。步骤二：建立仿蛇机器人的刚度模型，在有外部冲击作用力的情况下，针对各关节运动过程坐标参数变化构造位移与力对应转换关系及刚度模型表达式，得到关节刚度与仿蛇机器人头部刚度的映射关系。步骤三：结合动力学与刚度模型，建立刚度与能量方程，引入多目标优化算法对刚度与能量方程进行分解优化，获得刚度、能量在关节机构及动力学约束条件下的最优解，并写入运动控制系统实现仿蛇机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿蛇机器人控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤一：基于速度分解建立仿蛇机器人动力学模型；具体表述为仿蛇机器人多关节连接运动过程满足位移与速度约束，为减小仿蛇机器人动力学模型的复杂性，基于速度分解原则建立仿蛇机器人动力学方程，获取运动过程中正向运动坐标解；步骤二：建立仿蛇机器人的刚度模型，在有外部冲击作用力的情况下，针对各关节运动过程坐标参数变化构造位移与力对应转换关系及刚度模型表达式，得到关节刚度与仿蛇机器人头部刚度的映射关系；步骤三：结合动力学与刚度模型，建立刚度与能量方程，引入多目标优化算法对刚度与能量方程进行分解优化，获得刚度、能量在关节机构及动力学约束条件下的最优解，并写入运动控制系统实现仿蛇机器人变刚度的形态稳定控制效果；步骤四：基于优化后的刚度、力矩参数进行虚拟样机与物理样机的试验并进行对比。

【技术特征摘要】
1.一种仿蛇机器人控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤一：基于速度分解建立仿蛇机器人动力学模型；具体表述为仿蛇机器人多关节连接运动过程满足位移与速度约束，为减小仿蛇机器人动力学模型的复杂性，基于速度分解原则建立仿蛇机器人动力学方程，获取运动过程中正向运动坐标解；步骤二：建立仿蛇机器人的刚度模型，在有外部冲击作用力的情况下，针对各关节运动过程坐标参数变化构造位移与力对应转换关系及刚度模型表达式，得到关节刚度与仿蛇机器人头部刚度的映射关系；步骤三：结合动力学与刚度模型，建立刚度与能量方程，引入多目标优化算法对刚度与能量方程进行分解优化，获得刚度、能量在关节机构及动力学约束条件下的最优解，并写入运动控制系统实现仿蛇机器人变刚度的形态稳定控制效果；步骤四：基于优化后的刚度、力矩参数进行虚拟样机与物理样机的试验并进行对比。2.如权利要求1所述的一种仿蛇机器人控制方法，其特征在于，仿蛇机器人动力...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹政才，耿鹏，李俊宽，肖清，张东，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11