基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法技术

本发明专利技术公开的一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，属于仿生机器人运动控制领域。本发明专利技术包括如下步骤：根据多关节蛇形机器人的自身结构和关节特征，通过坐标变换建立机器人的运动学模型；制定轨迹跟踪控制器的控制目标；提出多关节蛇形机器人改进Serpenoid曲线的控制方程；设计轨迹跟踪控制器，实现机器人对连杆角、关节角和运动位置的控制作用；寻找Lyapunov函数来验证控制器的渐进稳定性；通过实验，观察多关节蛇形机器人的运动方式，分析机器人的运动轨迹，验证所提出的控制器的有效性。本发明专利技术要解决的技术问题是设计基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器，为蛇形机器人的路径跟踪控制奠定了理论基础。为蛇形机器人的路径跟踪控制奠定了理论基础。为蛇形机器人的路径跟踪控制奠定了理论基础。

【技术实现步骤摘要】
基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法


[0001]本专利技术属于仿生机器人运动控制领域，具体涉及一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法。

技术介绍

[0002]随着生物不断地演变和进化，许多生物在运动方式和环境适应中展现出了独特的优势。其中，身体细长的生物蛇表现尤为突出，它在运动的过程中身体紧贴地面、重心放低，这种特有的运动方式使生物蛇具有极强的环境适应能力和运动稳定性。这引起了科学家们的注意，于是将仿生学和机器人相结合的多关节仿生蛇形机器人应运而生。这种蛇形机器人的运动特性与蛇类似，蜿蜒爬行的运动步态使其能够在崎岖复杂的地形或是人类无法进入的区域中工作，代替人类完成许多危险的作业，所以多关节蛇形机器人具有非常广泛的应用前景。
[0003]在多关节蛇形机器人的结构中，控制器是机器人能否达到预期效果的重要组成部分。控制器能够实现对蛇形机器人运动步态和运动方向的控制，使蛇形机器人以蜿蜒爬行的步态运动并跟踪期望路径前行。在此基础上，我们可以为蛇形机器人进行优化或扩展更多的功能，所以设计多关节蛇形机器人轨迹跟踪控制器可以为研究蛇形机器人的二维运动以及后续功能的拓展建立良好的基础。

技术实现思路

[0004]针对现有的多关节蛇形机器人在运动过程中跟踪期望路径的问题，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，实现机器人在运动过程中跟踪期望的路径。/>[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：根据多关节蛇形机器人的身体结构和关节特征，通过坐标变换得到了基于连杆结构的机器人运动学模型。
[0008]步骤二：制定了多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器的四个控制目标，分别是：目标一是实现机器人的连杆角误差收敛到0且渐进稳定；目标二是实现机器人的关节角误差收敛到0且渐进稳定；目标三是实现机器人的法向运动位置误差e
y
收敛和法向运动速度一致有界；目标四是实现机器人的切向运动位置误差和切向运动速度误差收敛到0并渐进稳定。
[0009]步骤三：改进了多关节蛇形机器人的Serpenoid步态曲线控制方程，使用与状态相关的时变摆动幅值来代替传统Serpenoid曲线中的固定摆动幅值，得到了机器人具有自适
应时变摆动幅值的轴向弯矩约束。
[0010]步骤四：利用LOS引导率实现多关节蛇形机器人的运动方向指向期望路径。
[0011]步骤五：根据步骤二制定的目标一，设置多关节蛇形机器人的期望连杆角为实际连杆角为θ。连杆角误差目标是控制机器人的实际连杆角θ跟踪期望连杆角最终实现连杆角误差收敛到0且渐进稳定。
[0012]步骤六：根据步骤二制定的目标二，设置多关节蛇形机器人的期望关节角为实际关节角为φ。关节角误差目标是控制实际关节角φ跟踪期望关节角最终达到关节角误差收敛到0且渐进稳定。
[0013]步骤七：根据步骤二制定的目标三，设置机器人在y轴方向上的实际运动轨迹与理想路径之间的法向运动位置误差为机器人的法向运动速度为目标是实现机器人的法向运动位置误差e
y
收敛和法向运动速度一致有界。
[0014]步骤八：根据步骤二制定的目标四，设置机器人在x轴方向上的实际运动轨迹与理想路径之间的切向运动位置误差为机器人沿着理想路径的切向运动速度为同时满足目标是实现机器人的切向运动位置误差和切向运动速度误差收敛到0并渐进稳定。
[0015]步骤九：构造Lyapunov函数L，验证步骤五中的连杆角误差、步骤六中的关节角误差、步骤七中的法向运动位置误差和法向运动速度一致有界、步骤八中的切向运动位置误差和切向运动速度误差的稳定性。
[0016]步骤十：通过MATLAB仿真实验，验证基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器的有效性。
[0017]有益效果：
[0018]1.本专利技术公开的一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，制定了多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器的控制目标，机器人不仅可以跟踪设定的直线路径，而且可以跟踪设定的曲线路径。
[0019]2.本专利技术公开的一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，改进了多关节蛇形机器人的Serpenoid步态曲线控制方程，考虑了机器人运动步态的自适应性，得到了机器人具有自适应时变摆动幅值的轴向弯矩约束，提高了机器人的运动效率。
[0020]3.本专利技术公开的一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，消除了环境摩擦系数不确定和时变带来的消极影响，实现了机器人对时变误差的估计，提高了机器人的轨迹跟踪误差收敛速度，增加了控制器的稳定性。
附图说明
[0021]图1是多关节蛇形机器人的坐标变换；
[0022]图2是多关节蛇形机器人的运动学模型；
[0023]图3是自适应轨迹跟踪控制器结构；
[0024]图4是Line
‑
of
‑
Sight引导律；
[0025]图5是多关节蛇形机器人的法向运动轨迹误差对比曲线；
[0026]图6是多关节蛇形机器人的切向运动轨迹误差对比曲线；
[0027]图7是多关节蛇形机器人的连杆角与理想连杆角曲线；
[0028]图8是多关节蛇形机器人的连杆角误差对比曲线；
[0029]图9是多关节蛇形机器人在改进Serpenoid方法控制下的关节角曲线；
[0030]图10是多关节蛇形机器人在Serpenoid方法控制下的关节角曲线。
具体实施方式
[0031]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0032]本实施例从多关节蛇形机器人的需求出发，结合多关节蛇形机器人的运动特点，本实施例公开一种基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，包括如下步骤：
[0033]步骤一：多关节蛇形机器人由N个长度为2h的刚性连杆组成，连杆与连杆之间有N
‑
1个转动关节，每个连杆中间设置从动轮。通过坐标变换(1)，如图1所示。得到机器人新的质心位置为建立机器人的运动学模型(2)，如图2所示。
[0034][0035]其中，多关节蛇形机器人的关节由N个长度为2h的刚性连杆组成，机器人位置坐标沿切线方向运动的距离为机器人的连杆角集合为机器人的关节质心位置为p＝[p
x
，p
y
]T
，机器人的连杆角速度为机器人的法向量速度为v
n
∈R
N
，坐标变换后的法向量速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：分析多关节蛇形机器人的运动机理，通过坐标变换建立多关节蛇形机器人的运动学模型；步骤二：制定多关节蛇形机器人轨迹跟踪控制器的控制目标，分别是：目标一是控制机器人的实际连杆角θ跟踪期望连杆角最终实现连杆角误差收敛到0且渐进稳定；目标二是控制实际关节角φ跟踪期望关节角最终达到关节角误差收敛到0且渐进稳定；目标三是设置机器人在y轴方向上的实际运动轨迹与理想路径之间的法向运动位置误差为实现机器人的法向运动位置误差e
y
收敛和法向运动速度一致有界；目标四是设置多关节蛇形机器人在x轴方向上的实际运动轨迹与理想路径之间的切向运动位置误差为机器人沿着理想路径的切向运动速度为同时满足实现机器人的切向运动位置误差和切向运动速度误差收敛到0并渐进稳定；步骤三：提出一个多关节蛇形机器人的改进Serpenoid曲线的控制方程；步骤四：利用LOS引导率使多关节蛇形机器人的运动方向指向期望路径；步骤五：根据步骤二制定的目标一，设置一个理想的多关节蛇形机器人连杆角函数加入一个辅助函数，构造一个反馈控制器，设计连杆方向角补偿器φ0，实现连杆角误差渐进稳定；步骤六：根据步骤二制定的目标二，根据多关节蛇形机器人的改进Serpenoid曲线的控制方程，通过设置一个反馈输入—输出控制器来控制系统的输入u，设计一个反馈控制器，实现关节角误差渐近稳定；步骤七：根据步骤二制定的目标三，设置多关节蛇形机器人的法向运动速度和法向运动位置误差，通过鲁棒控制设计控制器，找到误差的受控条件，使机器人的法向运动位置误差快速收敛；步骤八：根据步骤二制定的目标四，使用改进Serpenoid步态曲线控制方程作为附加控制项来控制机器人的切向运动位置和切向运动速度，利用自适应控制方法设计多关节蛇形机器人摆动幅值补偿的估计值，并用估计值代替实际摆动幅值来实时对控制器进行调整，实现机器人的切向运动位置误差和切向运动速度误差收敛到0并渐近稳定；步骤九：构造Lyapunov函数L，验证步骤五中的机器人连杆角误差、步骤六中的机器人关节角误差、步骤七中的机器人法向运动速度和法向运动位置误差和步骤八中的机器人切向运动位置和切向运动速度误差的稳定性。2.根据权利要求1所述的基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于：还包括步骤十，通过MATLAB进行模拟仿真实验，验证基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器的有效性。3.根据权利要求1或2所述的基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于：
步骤一中建立的多关节蛇形机器人运动学模型，通过坐标变换(1)，得到机器人新的质心位置为建立机器人的运动学模型(2)；其中，多关节蛇形机器人的关节由N个长度为2h的刚性连杆组成，机器人位置坐标沿切线方向运动的距离为机器人的连杆角集合为机器人的关节质心位置为p＝[p
x
，p
y
]
T
，机器人的连杆角速度为机器人的法向量速度为v
n
∈R
N
，坐标变换后的法向量速度为，坐标变换后的法向量速度为其中，和多关节蛇形机器人的关节角度组成的集合为机器人的关节角速度集合为机器人的切向速度为v
t
∈R
N
；多关节蛇形机器人连杆模型中的切向和法向摩擦系数分别为λ1＞0和λ2＞0，摩擦系数的大小受地理环境影响；设置机器人关节旋转速度到旋转加速度的映射比例为μ1＞0；设置机器人关节角度均值和切向速度到旋转加速度的映射比例为μ2＞0；机器人的关节质量为m，辅助矩阵为系统的控制输入量为4.根据权利要求1或2所述的基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于：步骤三的具体实现方法为，
提出多关节蛇形机器人改进Serpenoid曲线的控制方程，改进Serpenoid曲线控制方程建立了机器人摆动幅值与机器人运动位置和运动速度的关系，它被定义为公式(3)，作为机器人的第i关节夹角；其中，多关节蛇形机器人关节振动的时变增益幅值为机器人的关节偏移量为机器人关节的相移为δ，机器人关节运动的频率为ω，控制机器人前进速度和偏移方向的两个补偿器的解为和φ0；多关节蛇形机器人的期望关节角与改进Serpenoid曲线的控制方程相关联得到公式(4)；其中，5.根据权利要求1或2所述的基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于：步骤四的具体实现方法为，采用LOS引导律使多关节蛇形机器人的运动方向指向期望路径；在LOS方法中，机器人的理想连杆角为(5)；其中，多关节蛇形机器人的期望连杆角为该角度是机器人实际运动方向的期望值，机器人的跟踪距离误差为e
y
，前向距离为Δ。6.根据权利要求1或2所述的基于改进Serpenoid曲线的多关节蛇形机器人自适应轨迹跟踪控制器设计方法，其特征在于：步骤五的具体实现方法为，多关节蛇形机器人的连杆角误差和连杆角速度误差分别为(6)和(7)；多关节蛇形机器人的连杆角误差和连杆角速度误差分别为(6)和(7)；对连杆角误差和连杆角速度误差进行微分得到(8)和(9)；对连杆角误差和连杆角速度误差进行微分得到(8)和(9)；设置连杆角误差的辅助函数为(10)，可以得到连杆角误差微分的另一种形式为(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东方，胡凌燕，周麦青，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：