蛇形机器人运动控制与末端定位方法及装置、存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种蛇形机器人运动控制方法，建立单关节基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系；建立绳索长度与关节运动角度的映射关系；建立单关节速度级运动学；建立整臂的齐次变换关系与构造速度级雅可比矩阵。本发明专利技术实施例还提供一种蛇形机器人运动控制装置、蛇形机器人的末端定位方法及装置与存储介质。利用本发明专利技术实施例能够构造蛇形机器人的雅可比矩阵，对蛇形机器人的运动轨迹及速度进行分析控制，并且有效解决蛇形机器人的末端定位问题。

【技术实现步骤摘要】
蛇形机器人运动控制与末端定位方法及装置、存储介质
本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种蛇形机器人运动控制方法及装置、蛇形机器人的末端定位方法及装置、计算机可读存储介质。
技术介绍
本部分旨在为权利要求书及具体实施方式中陈述的本专利技术实施例的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。仿生蛇形机器人是一种多关节、高冗余、无肢节构的仿蛇机器人，具有运动稳定、运动形式多变、环境适应力强等优点。在战场突袭、救灾搜救、险境探险等许多领域都具有广泛的应用前景。在仿生蛇形机器人行进过程中，必然会遇到不可逾越的障碍物或者运动方向与目标之间有一定角度的情况，这就要求机器人能根据自身结构和当前环境作出方向调整，绕开障碍物或者调整方向对准目标前进。传统的工业机器人相比，仿生蛇形机器人没有固定的基坐标，运动过程中关节转矩与转角有关，是具有非完整约束的动力系统，并且其关节数较多、长度都较大，使其运动学、动力学建模比串联机器人复杂的多。
技术实现思路
鉴于此，有必要提供一种蛇形机器人运动控制方法及装置、蛇形机器人的末端定位方法及装置、计算机可读存储介质，能够构造蛇形机器人的雅可比矩阵，对蛇形机器人的运动轨迹及速度进行分析控制，并且有效解决蛇形机器人的末端定位问题。本专利技术实施例一方面提供一种蛇形机器人运动控制方法，所述方法包括：建立蛇形机器人单关节基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系；建立所述蛇形机器人单关节间的绳索长度与关节运动角度的映射关系；根据所述基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系与所述绳索长度与关节运动角度的映射关系，建立单关节速度级运动学；根据所述单关节速度级运动学模型建立整臂的齐次变换关系与构造速度级雅可比矩阵。进一步的，在本专利技术实施例提供的上述蛇形机器人运动控制方法中，所述单关节基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系为：其中，Transa(t)和Ra(t)分别代表沿轴a的平移变换和旋转变换。h是未发生弯曲时基础底盘盘与远端盘之间的距离，θ为关节弯曲角度，φ为关节弯曲方向。进一步的，在本专利技术实施例提供的上述蛇形机器人运动控制方法中，所述绳索长度与关节运动角度的映射关系为：其中，θ为弯曲角度，φ为弯曲方向，l1、l2、l3为单个关节之间的绳索长度，r为绳索分布圆半径。进一步的，在本专利技术实施例提供的上述蛇形机器人运动控制方法中，所述单关节速度级运动学为：其中qj＝[φj,θj]T是第j个关节的构型参数，是单关节的雅可比矩阵，Jj1＝-ωL(1+sinθ-θ)Jj4＝ω其中，L为未发生弯曲时基础底盘与远端盘之间距离的一半，ω为瞬时角速度，ω′为ω的导数，为ω的反对称矩阵，v为瞬时线速度。进一步的，在本专利技术实施例提供的上述蛇形机器人运动控制方法中，所述构造速度级雅可比矩阵为：其中，是整臂的雅可比矩阵，和分别是线速度和角速度雅可比矩阵。本专利技术实施例再一方面还提供一种蛇形机器人运动控制装置，所述蛇形机器人运动控制装置包括：齐次变换建立模块，用于建立单关节基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系；映射关系建立模块，用于建立绳索长度与关节运动角度的映射关系；单关节运动学建立模块，用于建立单关节速度级运动学；整臂运动学建立模块，用于建立整臂的齐次变换关系与构造速度级雅可比矩阵。本专利技术实施例另一方面还提供一种蛇形机器人的末端定位方法，所述蛇形机器人的末端定位方法包括：步骤1，确认初始猜想构型；步骤2，计算所述猜想构型的构型增量；步骤3，根据所述构型增量更新构型参数；步骤4，判断定位误差是否满足要求，若判断结果为否，则返回步骤2。进一步的，在本专利技术实施例提供的上述蛇形机器人的末端定位方法中，所述判断定位误差是否满足要求包括：判断||dp||是否小于σ，其中，dp为所述构型增量，σ为一预设值；若判断结果为是，则定位满足要求。本专利技术实施例再一方面还提供一种蛇形机器人的末端定位装置，所述蛇形机器人的末端定位装置包括：猜想构型确认模块，用于确认初始猜想构型；构型增量计算模块，用于计算所述猜想构型的构型增量；构型参数更新模块，用于根据所述构型增量更新构型参数；定位判断模块，用于判断定位误差是否满足要求。本专利技术实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的蛇形机器人运动控制方法以及上述任意一项所述的蛇形机器人的末端定位方法的步骤。本专利技术实施例提供的蛇形机器人运动控制方法及装置、蛇形机器人的末端定位方法及装置、存储介质。建立单关节基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系；建立绳索长度与关节运动角度的映射关系；建立单关节速度级运动学；建立整臂的齐次变换关系与构造速度级雅可比矩阵。利用本专利技术实施例，可以构造蛇形机器人的雅可比矩阵，对蛇形机器人的运动轨迹及速度进行分析控制，能够有效解决蛇形机器人的末端定位问题。附图说明图1为本专利技术实施例提供的蛇形机器人运动控制方法的流程图。图2为本专利技术实施例提供的蛇形机器人的末端定位方法的流程图。图3为本专利技术实施例提供的蛇形机器人设计方案的单关节结构示意图。图4为本专利技术实施例提供的蛇形机器人设计方案示意图。图5为本专利技术实施例提供的末端沿圆周运动仿真结果示意图。图6为本专利技术一实施方式的终端的结构示意图。图7为图6所示的终端的一示例性的功能模块图。图8为图6所示的终端的另一示例性的功能模块图。主要元件符号说明具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术实施例，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术实施例保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术实施例的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术实施例。图1为本专利技术实施例提供的蛇形机器人运动控制方法的流程图。如图1所示，所述蛇形机器人运动控制方法可以包括如下步骤：S101：建立蛇形机器人单关节的基础底盘31与远端盘21之间的齐次变换关系。在本实施方式中，以绳驱蛇形机器人为例(绳索驱动蛇形机器人具有较好的柔性)，所述绳驱蛇形机器人包含若干个关节模块，所述关节模块可以包括两个运动自由度，弯曲角度θ和弯曲方向φ。根据几何学方法，可以建立绳驱蛇形机器人单关节基础底盘31坐标系与远端盘21坐标系之间的齐次变换：其中，Transa(t)和Ra(t)分别表示沿轴a的平移变换和旋转变换(t为任一未知数)。h是指绳驱蛇形机器人未发生弯曲时基础底盘31与远端盘21之间的距离。根据旋量理论(旋量又称为螺旋，是同时表示矢量的方向和位置的一组对偶矢量，可以表示运动学中的角速度和线速度，或者同时表示刚体力学中的力和力矩。旋量理论为用旋量讨论了复合约束下刚体的运动学和动力学)，齐次变换(公式1)可以表示为：其中，θ表示绳驱蛇形机器人的弯曲角度，φ表示绳驱蛇形机器人的弯曲方向，是ξ对应的反对称矩阵，ξ＝(ω,v)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蛇形机器人运动控制方法，其特征在于，所述方法包括：建立蛇形机器人单关节的基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系；建立所述蛇形机器人单关节间绳索长度与关节运动角度的映射关系；根据所述基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系与所述绳索长度与关节运动角度的映射关系，建立单关节速度级运动学模型；根据所述单关节速度级运动学模型建立整臂的齐次变换关系并构造速度级雅可比矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种蛇形机器人运动控制方法，其特征在于，所述方法包括：建立蛇形机器人单关节的基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系；建立所述蛇形机器人单关节间绳索长度与关节运动角度的映射关系；根据所述基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系与所述绳索长度与关节运动角度的映射关系，建立单关节速度级运动学模型；根据所述单关节速度级运动学模型建立整臂的齐次变换关系并构造速度级雅可比矩阵。2.根据权利要求1所述的蛇形机器人运动控制方法，其特征在于，所述单关节基础底盘与远端盘之间的齐次变换关系为：其中，Transa(t)和Ra(t)分别表示沿轴a的平移变换和旋转变换，h为未发生弯曲时基础底盘与远端盘之间的距离，θ为关节弯曲角度，φ为关节弯曲方向。3.根据权利要求2所述的蛇形机器人运动控制方法，其特征在于，所述绳索长度与关节运动角度的映射关系为：其中，θ为关节弯曲角度，φ为关节弯曲方向，l1、l2、l3为单个关节之间的绳索长度，r为绳索分布圆半径。4.根据权利要求3所述的蛇形机器人运动控制方法，其特征在于，所述单关节速度级运动学模型为：其中qj＝[φj,θj]T是第j个关节的构型参数，是单关节的雅可比矩阵，Jj1＝-ωL(1+sinθ-θ)Jj4＝ω其中，L为未发生弯曲时基础底盘与远端盘之间距离的一半，ω为瞬时角速度，ω′为ω的微分，为ω的反对称矩阵，v为瞬时线速度。5.根据权利要求4所述的蛇形机器人运动控制方法，其特征在于，所述构造速度级雅可比矩阵为：其中，是整臂的雅可比矩阵，和分别是线速度和角速度雅可比矩阵。6.一种蛇形机器人运动控制装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于行尧，孟得山，梁斌，王学谦，刘厚德，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44