The invention discloses a serpentine robot based on CPG model and its joint trajectory/stiffness control method. The robot includes a head module, a plurality of connection modules and a tail module, each module is fixed and connected through a pin; the head module is an internal hollow structure for installing the control unit of the serpentine robot. The connecting module comprises an outer frame, two micro servo motors, a synchronous gear, two joints connecting torsion springs, a connecting shaft and a passive wheel. The micro servo motor is controlled by a CPG oscillator, and the CPG oscillators are coupled together to form the whole CPG network. The CPG oscillator outputs signals to control the servo motor's motion and realize the control of the trajectory and stiffness.
【技术实现步骤摘要】
一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法
本专利技术涉及机器人领域,特别是涉及一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法。
技术介绍
自然界中,生物蛇具有较强的环境适应性,能够在各种复杂环境中运动(如刚硬或松软地形、光滑或粗糙地形)。生物蛇的侧向蜿蜒运动是其最高效的运动步态之一。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。受仿生学的启发,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)使刚性机构的蛇形机器人实现柔顺运动,但其控制系统较为复杂;(2)采用全柔性机构的蛇形机器人随具有较好的柔顺性,但其控制精度较低;(3)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,其中串联弹性驱动器具有一定的被动式适应性,但其刚度不可调,无法适应复杂环境;变刚度驱动器的机构较为复杂,同时也较大程度地增加了蛇形机器人的造价。因此,亟待设计一种简单的控制方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节刚度控制方法,其目的在于提供一种尺寸小、成本低、精度高的定位定向系统。为达到上述目的,本专利技术采用的技术方案是:一种基于CPG模型的蛇形机器人,其特征在于:包含一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块,各个模块之间通过销轴固定连接;所述的头部模块为内部中空 ...
【技术保护点】
1.一种基于CPG模型的蛇形机器人,其特征在于:包含一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块,各个模块之间通过销轴固定连接;所述的头部模块为内部中空结构,用于安装蛇形机器人的控制单元;所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机,分别为上微型伺服电机以及下微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧,分别为上关节连接扭簧和下关节连接扭簧、连接轴以及被动轮;所述的上微型伺服电机固定安装在外框的上侧,其输出轴与上关节连接扭簧的中心凸台固定连接,上关节连接扭簧的外边框与连接轴的顶面固定连接,下微型伺服电机固定安装在外框底侧,其输出轴与下关节连接扭簧的中心凸台固定连接,下关节连接扭簧的外边框与连接轴的底面固定连接;同步齿轮卡装在外框的中心位置,与连接轴的侧边齿轮啮合;被动轮的轴穿过外框底侧的轴孔,在连接模块的外框的后侧还设置有连接轴孔,各个连接模块之间通过连接轴与连接轴孔配合连接;所述的尾部模块与连接模块具有相同的内部结构,尾部模块外框的后侧没有扩展连接轴孔;各个微型伺服电机以及下微型伺服电机均通过一个CPG振荡器控制,各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络,CPG振荡器输出信号,控制伺服电机动作 ...
【技术特征摘要】
1.一种基于CPG模型的蛇形机器人,其特征在于:包含一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块,各个模块之间通过销轴固定连接;所述的头部模块为内部中空结构,用于安装蛇形机器人的控制单元;所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机,分别为上微型伺服电机以及下微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧,分别为上关节连接扭簧和下关节连接扭簧、连接轴以及被动轮;所述的上微型伺服电机固定安装在外框的上侧,其输出轴与上关节连接扭簧的中心凸台固定连接,上关节连接扭簧的外边框与连接轴的顶面固定连接,下微型伺服电机固定安装在外框底侧,其输出轴与下关节连接扭簧的中心凸台固定连接,下关节连接扭簧的外边框与连接轴的底面固定连接;同步齿轮卡装在外框的中心位置,与连接轴的侧边齿轮啮合;被动轮的轴穿过外框底侧的轴孔,在连接模块的外框的后侧还设置有连接轴孔,各个连接模块之间通过连接轴与连接轴孔配合连接;所述的尾部模块与连接模块具有相同的内部结构,尾部模块外框的后侧没有扩展连接轴孔;各个微型伺服电机以及下微型伺服电机均通过一个CPG振荡器控制,各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络,CPG振荡器输出信号,控制伺服电机动作。2.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人,其特征在于:所述的CPG振荡器采用Kuramoto模型建立而成,其振荡器的模块为(1)式所示。其中,参数θi是振荡器的状态变量,ωi是振荡器的固有频率,wij是振荡器间的耦合权重,Φi是振荡器的输出信号,Ai是蛇形机器人关节摆动的幅值,γi是蛇形机器...
【专利技术属性】
技术研发人员:乔贵方,宋光明,韦中,孙大林,戚奇恩,宋爱国,
申请(专利权)人:东南大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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