[发明专利]一种蛇形机器人位姿控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种蛇形机器人位姿控制系统及方法。

背景技术

1972年，日本东京大学的Hirose教授率领其科研团队研制出世界上第一台蛇形机器人ACM(Active Cord Mechanism)，随着研究的深入，出现了一系列的蛇形机器人，如ACM-R3机器人、ACM-R5机器人；经过机器人防水处理后，ACM-R5又可实现水下的自由游动，其游动速度最低为0.9m/min。由美国密歇根大学研制的OmniTread机器人，该机器人总长度1270mm，总质量13.6kg，最高爬行速度可达到0.1m/s，最高可翻越457mm高障碍物、跨660mm壕沟，其最大侧翻角度为22°、最小转弯半径530mm。除此之外，德国国家信息技术研究中心先后研制出GMD-Snake和GMD-Snake2蛇形机器人，美国卡耐基梅隆大学研究了用于攀爬的模块化蛇形机器人，挪威科技大学研制了无轮式的蛇形机器人Aiko和Kul lo等等。

中国科学院沈阳自动化所于2001年研制出一种模块化可重构的蛇形机器人，随着研究的深入，该所研制出了三维蛇形机器人巡视者Ⅱ和探查者Ⅲ。巡视者Ⅱ全长约1.2m，组成巡视者Ⅱ的模块为模块化万向单元，具有俯仰、偏航和回转3自由度。回转自由度的增加使机器人具有更高的运动灵活性，探查者Ⅲ可实现水陆两栖复杂环境的运动。

综上所述，国内外蛇形机器人的研究取得了长足的进展，然而，目前的蛇形机器人还存在以下缺陷和不足：①大多采用单轴转动关节，只具有平面运动能力；②由三轴转动结构组成的蛇形机器人能实现三维运动，但对舵机的输出力矩要求很高，从而导致机器人的尺寸大、功耗大、造价昂贵；③由于蛇体结构尺寸大，导致运动效果不理想，要想达到理想的运动效果，就需要实现蛇形机器人小型化；④当机器人遇到低矮障碍时，或外界干扰引起身形发生大幅度变化时，很难顺利完成翻越运动。

为了解决以上问题，有人提出了采用舵机和叶片轮式移动机构的蛇形机器人，其实现方便且成本低，体积小，避障和越障的功能强，对路面的适应能力强，但是，现有技术中还缺乏适用于其的位姿控制系统。另外，蛇形机器人的多自由度和运动的灵活性给蛇形机器人的位姿控制研究带来了机遇和挑战，为使蛇形机器人能像生物蛇一样灵活运动，在位姿控制方面出现了多种控制方法，如离散曲线法、动力学或运动学模型产生法、神经网络模型产生法(如CPG：central pattern generator)等多种控制方法。

离散曲线法：以蛇形机器人的关节模块去拟合一条根据生物蛇的步态而定义的曲线，从而得到机器人各个关节转角的方法，也被称为是“逆运动学方法”。谢亚飞等人研制出一款水下蛇形机器人，蛇体由16个轻质防水小舵机串联而成，并对通过蛇形曲线实现对机器人的蜿蜒运动控制。离散曲线法具有实现简单、易控制的优点，缺点是调整参数时容易引起关节角速度、力矩的跳变导致发生舵机堵转现象从而破坏舵机。

动力学模型或运动学模型产生法：在国外，Ostrowski等人针对装有三个从动轮的连杆型蛇形机器人，利用拉格朗日法建立了蜿蜒运动动力学模型，并进行可控制性分析。在国内，程前等人基于运动学模型提出了一种具有16个P-R-T模块单元的蛇形机器人的越障方法。动力学模型或运动学模型产生法的优点是能实现复杂精确的步态控制，缺点是建模过程困难，控制器计算量大，对未知环境适应性较差。

神经网络模型(CPG)产生法：在蛇形机器人控制中，CPG控制得到了广泛的应用。CRESPI等人利用CPG模型实现了蛇形机器人在水中和陆地的运动控制。卢振利等人提出了基于循环抑制的CPG控制器，使蛇形机器人成功实现蜿蜒运动。CPG控制的优点是便于集成环境信息从而使得蛇形机器人具有环境适应能力，缺点是CPG模型中的控制参数需要进一步的优化。

但是以上方法很不能很好地满足叶片轮式蛇形机器人位姿控制的需求，因此，研究适用于叶片轮式蛇形机器人的新的位姿控制方法很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结构简单、设计新颖合理、实现方便、工作可靠性高的蛇形机器人位姿控制系统。