一种无轮式蛇形机器人三维运动步态生成方法与流程

1.本发明属于蛇形机器人运动规划与控制的技术领域，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。


背景技术：

2.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(本发明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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明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。本发明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。
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.1)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。
9.2)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。
10.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。
11.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。
12.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；
13.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。
14.本发明的有益效果是：
15.1.本发明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。
16.2.本发明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。
17.3.本发明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
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
19.图1为本发明设计的三维运动步态曲线的等轴测示意图；
20.图2为本发明设计的三维运动步态曲线的前视示意图；
21.图3为本发明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；
22.图4为本发明在实际实验验证中使用的实验平台；
23.图5为本发明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；
24.图6为本发明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；
25.图7为本发明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
26.实施例1：
27.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：
28.搭建常见的正交关节交替排列的三维蛇形机器人；
29.按照frenet
‑
serret坐标系和骨干曲线坐标系框架实时计算发明的三维运动步态前进模式下的关节角并下发到机器人；
30.按照发明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；
31.第1.搭建常见的正交关节交替排列的三维蛇形机器人
32.搭建的蛇形机器人共有26个关节，全长1.9m，直径0.066m，重约7kg。头尾自带电池，头部带有树莓派微型电脑。使用的舵机为dynamixel xh540
‑
w270，电机分为两组，同组舵机轴线互相平行且朝向相同，相邻舵机轴线互相垂直，舵机间使用自设计连接件，外部安装梳状尼龙外壳，作为保护。树莓派接收pc端计算出的角度，然后通过总线下发给各个舵机。
33.第2.按照frenet
‑
serret坐标系和骨干曲线坐标系框架实时计算发明的三维运动步态前进模式下的关节角并下发到机器人
34.首先基于曲线规划方法设计的新型前进运动步态，本发明蛇形机器人的步态可由步态构型曲线来表示，参见附图1和附图2，前进步态是由4个简单曲线(圆弧)片段组成一个步态单元，然后由步态单元无限循环构成的。其中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(带方向)旋转到该段圆弧在相交点处的半径(带方向)所需要转过的角度(右手法则确定角度正负，角度在
‑
π到π之间)，本发明设计的三维运动步态曲线的圆弧片段的参数见表1。设定半径参数为r，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。
35.表1三维运动步态曲线的圆弧片段的参数表
36.片段序号j曲线形状曲线参数扭角ψ
j
4n 1半圆弧(r
j
，φ
j
)＝(r，π)
‑
π/24n 2四分之一圆弧(r
j
，φ
j
)＝(r，π/2)
‑
π/24n 3半圆弧(r
j
，φ
j
)＝(r，π)π/24n 4四分之一圆弧(r
j
，φ
j
)＝(r，π/2)π/2........................
37.按照以上方法生成前进模式运动步态后，根据实验所用机器人尺寸，指定步态曲
线中参数r＝0.2m。通过frenet
‑
serret坐标系和骨干曲线坐标系积分框架来计算关节角，算法基于的思路和公式如下：
38.s表示蛇形机器人步态曲线上的点沿曲线到起始点的长度，在每一点的frenet
‑
serret坐标系和骨干曲线坐标系的夹角ψ(s)可以按下式如下计算：
[0039][0040]
其中τ(s)是s点处的步态曲线挠率，ψ(0)是一个人为给定的扭角积分常量。各点夹角计算后，可计算出各点绕俯仰轴和偏航轴的曲率κ
p
和κ
y
：
[0041]
κ
p
＝
‑
κ(s)sinψ(s)，κ
y
＝κ(s)cosψ(s).
[0042]
其中，κ(s)是s点处的步态曲线曲率。最后，通过每个关节相邻两段关节长度的积分可以计算出各个关节角θ
id
：
[0043][0044]
其中i是关节序数，l是关节长度，s
h
是蛇形机器人第一关节在步态曲线上的位置，通过设置s
h
为一个关于时间的一次函数，例如s
h
＝αt，其中α是比例系数，可以使蛇形机器人随时间变化沿步态曲线前后运动，形成设计的前进步态曲线不同片段的构型，实现朝蛇头方向的前后运动。本发明所设计的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参见附图3。
[0045]
第3.按照发明的转向模式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；
[0046]
在上述第2步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，以蛇头朝向为正方向，向左转向行进的步态曲线由前进步态曲线稍作修改获得，详细描述为(原前进步态第一段半圆弧在步态中轴线左侧)：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。
[0047]
向右转向行进的详细描述为(原前进步态第一段半圆弧在步态中轴线左侧)：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。
[0048]
将上述修改的步态曲线参数，再按第2步中的框架实时计算转向步态的关节角并下发，同样设置s
h
为一个关于时间的一次函数，例如s
h
＝αt，其中α是比例系数，可以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。
[0049]
实验结果
[0050]
本发明过实验验证本发明方法的结果，实际实验验证中使用的实验平台见附图4，附图5和附图7分别展示了蛇形机器人在发明的三维运动步态下的前向运动能力和转向运动能力，附图6展示了蛇形机器人按发明中修改步态参数方法在前向模式和转向模式间的切换过程。从图中可以看出本发明步态运动稳定、快速，转向功能响应快、效果明显，前向和转向运动切换迅速。
[0051]
综上所述，本发明设计了一种无轮式蛇形机器人三维运动步态，保证机器人能稳定、快速、可靠地在地面运动。为蛇形机器人后续遥控导航等功能的开发提供了基础，因此有很高的实际应用价值。
[0052]
参考文献
[0053]
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‑
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[0054]
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‑
1391,doi:10.1109/tro.2018.283034。