[发明专利]一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法

说明书

本发明涉及一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法。所述蛇形机器人主要包括若干个基本单元模块，能够通过增减基本单元模块实现蛇形机器人体型规模调整，每个基本单元模块由一个柔性单元和一个驱动关节装置两部分构成。其中柔性单元包括前半圆U形框、工字形柔性体、从动轮、后半圆U形框及弯曲传感器。驱动关节装置包括数字舵机、舵机输出盘、U形摆臂和3个外框架。本发明还针对所设计的蛇形机器人，提出了一种基于双层中枢模式发生器的仿生运动控制方法。本发明有效地降低了蛇形机器人能耗及控制系统复杂度，简单地结合刚性机构与柔性机构，使蛇形机器人具备被动的环境适应性，并利用弯曲传感器实现高效率的运动控制。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种具有柔性连杆的蛇形机器人及其仿生控制方法。

背景技术

生物蛇的运动模式具有较高的鲁棒性、稳定性和环境适应性，其中侧向蜿蜒运动是生物蛇最典型和最高效的运动模式之一。蛇形机器人是一种以生物蛇为原型的多自由度欠驱动仿生机器人，利用关节与连杆模拟生物蛇的脊柱结构。蛇形机器人具有结构独特、控制灵活等优点，能够在狭小空间或复杂地形中实现稳定灵活地运动，因此多应用于地震、火灾等灾后搜救领域。

随着机器人机构的发展和受仿生学启发，近些年机器人的柔顺特性得到了越来越广泛的关注。为提高蛇形机器人的运动效率和性能，目前主要采用三种方式：（1）通过复杂的控制系统（如力控制系统、阻抗控制等）使刚性结构的蛇形机器人实现柔顺运动；（2）利用柔性关节（如串联弹性驱动器、变刚度驱动器等）实现蛇形机器人的柔顺运动，具有一定的被动式适应性；（3）采用全柔性机械结构设计蛇形机器人。但以上三种方法存在如下缺陷：（1）刚性结构的蛇形机器人在运动过程中的能耗较高，且实现柔顺运动和环境适应性的控制系统较为复杂；（2）柔性关节的机械结构较为复杂，较大程度地增加了蛇形机器人的造价；（3）全柔性机构的蛇形机器人控制精度较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种具有柔性连杆的蛇形机器人及其仿生控制方法，为克服背景技术中所提到的控制系统及机械结构复杂、能耗较高和控制精度低等技术缺陷。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的具有柔性连杆的蛇形机器人主要包含若干个串行连接的基本单元模块，基本单元模块间通过螺丝固定连接，通过添加或减少基本单元模块实现扩展蛇形机器人体型规模。

每个基本单元模块由一个柔性单元和一个驱动关节装置固定连接而成。其中柔性单元包括前半圆U形框、工字形柔性体、从动轮、后半圆U形框及弯曲传感器。所述的工字形柔性体采用橡胶材料，在其两端分别加工两个安装孔，前后半圆U形框分别与工字形柔性体两端的安装孔固定连接，前后半圆U形框的外轮廓相切，工字形柔性体在外力（基本单元模块间内力或蛇形机器人受环境外力等）的作用下，会绕其中垂线旋转。从动轮安装在后半圆U形框的旋转轴孔上，工字形柔性体的中心孔中安装弯曲传感器，实现工字形柔性体的弯曲度测量。

驱动关节装置包括数字舵机、舵机输出盘、U形摆臂和3个外框架。舵机输出盘与数字舵机通过花键和螺丝固定连接。U形摆臂与舵机输出盘固定连接，U形摆臂与下一基本单元模块的前半圆U形框固定连接，3个外框架分别安装在数字舵机除U形摆臂固定面的另外三面上，其中，与U形摆臂相对的外框架与本基本单元模块的后半圆U形框固定连接。

为实现所设计蛇形机器人的高效率、高性能运动，本发明还提出一种基于双层中枢模式发生器的仿生运动控制方法，双层中枢模式发生器分为节律发生器层和运动神经元层，分别控制蛇形机器人关节动作的相位和运动曲线，其输出的关节位置信号直接通过RS-485总线接口传送给数字舵机内部的控制单元，从而实现蛇形机器人关节间的协调动作，进而推动蛇形机器人运动，运动神经元层接收来自柔性单元的弯曲传感器的反馈信号，实时调节蛇形机器人的形态。