一种无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法技术

一种无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法，针对的蛇形机器人属于无轮的三维蛇形机器人，由旋转轴相互正交的关节交替排列构成，属于高冗余度机器人。为解决蛇形机器人在地面上的高效运动问题，本发明专利技术提出了一种新颖的基于曲线规划方法设计的三维运动步态，该步态具有高效的前后运动能力。除此之外，还提出了通过修改运动步态构型参数设计的带转向功能的衍生步态，实现可控的地面前后运动与转向功能。相比于已有的蛇形机器人地面三维运动步态，本发明专利技术运动性能更好，有新的转向运动模式。实验结果表明，该步态在平坦地面运动稳定、迅速，转向时反应灵敏。转向时反应灵敏。转向时反应灵敏。

【技术实现步骤摘要】
一种无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法


[0001]本专利技术属于蛇形机器人运动规划与控制的
，可以使高冗余度的无轮式蛇形机器人在地面实现良好，完整的运动功能。

技术介绍

[0002]蛇形机器人作为一种仿生机器人，通过自身构型变化可以形成多种运动步态和构型，从而适应多种环境，同时还具有简单的正交关节构型。其中，无被动轮的三维蛇形机器人(本专利技术中提到的蛇形机器人均为三维蛇形机器人)被期望能实现攀爬树木、通行废墟、穿越管道及适应各种地形等仿生功能，从而执行侦查、搜救、勘探等任务。然而蛇形机器人地面上的运动能力是这些高级仿生功能的基础，从地面通过遥控或者导航接近特殊环境或地形，然后才能实现上述功能。而要实现遥控或是导航，高效的地面运动步态必不可少。
[0003]目前蛇形机器人的步态设计有两大类方法，第一类是波函数方法
[1]，即对蛇形机器人的每个关节指定一个传入参数为关节序数和时间的三角函数，其余给定参数不尽相同，通过步态几何参数计算得出。在各个时刻代入时刻和关节角序数可以计算出让蛇形机器人呈现步态的一组角度；第二类是曲线规划的方法
[2]，将目标步态曲线拆分成几何参数已知且简单的曲线片段并明确曲线片段之间的位置关系，蛇形机器人长度短于目标步态曲线，是目标步态曲线的一个片段，根据蛇形机器人在目标曲线上的位置，通过积分方法可以计算出当前的关节角。第二类曲线规划方法虽然计算更加复杂，但是在设计时更清晰明了，目标步态的几何参数直接由划分的曲线片段的几何参数来体现。
[0004]目前基于曲线规划的方法已设计了少量运动步态，用于地面运动，但是这类运动步态大多运动方向单一，运动方向占地面积过大，构型较高运动不稳定且运动速度慢。
[0005]综上所述，为了使蛇形机器人地面运动功能更为完善，亟需设计一种运动效果更好的地面步态，并实现其控制。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术设计了一种无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法，该步态针对地面应用场景，具有前进后退和转向功能。本专利技术除设计步态和构造控制方法外，还通过实验进行了验证，对进一步的蛇形机器人运动研究具有重要意义。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]1)基于曲线规划方法设计的新型前进运动步态，蛇形机器人的步态由步态构型曲线来表示，前进步态是由4个简单曲线片段组成一个步态单元，然后由步态单元无限循环构成；所述的曲线片段为圆弧片段。
[0009]2)在步骤1)所设计的前进运动步态的基础上，通过修改运动步态构型参数设计的带转向功能的新型衍生步态，将上述修改的步态曲线参数，按框架实时计算转向步态的关节角并下发，使蛇形机器人随时间变化沿步态曲线前后运动，形成转向步态曲线不同片段的构型，实现向左或向右的转向运动；需要转过的角度通过右手法则确定角度正负，角度
在
‑
π到π之间。
[0010]进一步的，相邻圆弧片段首尾相连，圆弧片段间仅有旋转角度关系，用扭角描述，一个圆弧片段的扭角的定义是在该圆弧段与上一圆弧段相交处，以上一圆弧段末端切线为轴，轴方向指向该圆弧段，相交点处上一段圆弧的半径旋转到该段圆弧在相交点处的半径所需要转过的角度。
[0011]进一步的，每个步态单元中：第一段是一个半圆弧，其半径为r，弧度为π，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第二段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第三段是一个半圆弧，其半径为r，弧度为π，与上一个圆弧段的扭角是π/2；第四段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是π/2；整个步态构型曲线的第一个半圆弧段的上一圆弧段按一个长度极短的直线段处理。
[0012]进一步的，带转向功能的新型衍生步态是以蛇头朝向为正方向，向左转向行进的步态曲线为：第一段是一个圆弧，其半径为r，弧度为0.75π，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第二段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第三段是一个圆弧，其半径为r，弧度为1.25π，与上一个圆弧段的扭角是π/2；第四段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是π/2；
[0013]向右转向行进的步态曲线为：第一段是一个圆弧，其半径为r，弧度为1.25π，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第二段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第三段是一个圆弧，其半径为r，弧度为0.75π，与上一个圆弧段的扭角是π/2；第四段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是π/2。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015]1.本专利技术为蛇形机器人的地面运动设计了一种高效的三维运动步态，步态半圆弧与地面的接触点类似车轮，与地面的接触点类似车轮与地面的接触点，前进运动时蛇身平稳，且运动速度快，对比同类步态耗电量低，电机负载小。
[0016]2.本专利技术设计的步态通过圆弧参数修改可以实现转向功能，增强机器人的运动灵活性，并为蛇形机器人地面遥控和导航提供了基础。
[0017]3.本专利技术设计的三维运动步态可能被应用到其他用曲线规划方法控制的高冗余度机器人上，完成其他功能。
附图说明
[0018]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0019]图1为本专利技术设计的三维运动步态曲线的等轴测示意图；
[0020]图2为本专利技术设计的三维运动步态曲线的前视示意图；
[0021]图3为本专利技术所设计步态基于的曲线规划方法中蛇形机器人首关节在步态曲线上位置s
h
和整个蛇形机器人在步态曲线上位置的示意图；
[0022]图4为本专利技术在实际实验验证中使用的实验平台；
[0023]图5为本专利技术设计的三维运动步态在实际实验中的前向运动实验效果图；
[0024]图6为本专利技术设计的修改步态参数方法控制机器人由前向运动模式切换到左转向
运动模式的实验效果图；
[0025]图7为本专利技术设计的三维运动步态在实际实验中的转向运动实验效果图；
具体实施方式
[0026]实施例1：
[0027]本实施例公开了设计的三维运动步态应用在蛇形机器人上的方法，包括：
[0028]搭建常见的正交关节交替排列的三维蛇形机器人；
[0029]按照Frenet
‑
Serret坐标系和骨干曲线坐标系框架实时计算专利技术的三维运动步态前进模式下的关节角并下发到机器人；
[0030]按照专利技术的转向实现方法修改步态曲线圆弧参数，再实时计算相应关节角并下发到机器人；
[0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法，其特征在于该方法包括：1)基于曲线规划方法设计的新型前进运动步态，蛇形机器人的步态由步态构型曲线来表示，前进步态是由4个简单曲线片段组成一个步态单元，然后由步态单元无限循环构成；2)在步骤1)所设计的前进运动步态的基础上，通过修改运动步态构型参数设计的带转向功能的新型衍生步态，将上述修改的步态曲线参数，按框架实时计算转向步态的关节角并下发，使蛇形机器人随时间变化沿步态曲线前后运动，形成转向步态曲线不同片段的构型，实现向左或向右的转向运动；步骤1)中所述的曲线片段为圆弧片段。2.根据权利要求1所述的无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法，其特征在于：相邻圆弧片段首尾相连，圆弧片段间仅有旋转角度关系，用扭角描述，一个圆弧片段的扭角的定义是在该圆弧段与上一圆弧段相交处，以上一圆弧段末端切线为轴，轴方向指向该圆弧段，相交点处上一段圆弧的半径旋转到该段圆弧在相交点处的半径所需要转过的角度。3.根据权利要求1所述的无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法，其特征在于：每个步态单元中：第一段是一个半圆弧，其半径为r，弧度为π，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第二段是一个四分之一圆弧，其半径为r，弧度为π/2，与上一个圆弧段的扭角是
‑
π/2；第三段是一个半圆弧，其半径为r，弧度为π，与上一个圆弧段的扭角是π/2；第四段是一个四分之一圆弧，...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇纯，黄为，王饪彭，习微，郭宪，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：