【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人，更具体地，特别涉及一种狭窄不规则环境中蛇形机器人运动和探索的控制方法。
技术介绍
1、蛇形机器人是一种通过模仿自然环境中的生物蛇的仿生机器人，因此它应该具备柔性与灵敏性，在许多复杂地形场景下能够进行高效灵活的运动，使其能够更优的适应非结构化环境，例如地震导致房屋倒塌，导致被困人员处于狭小空间，蛇形机器人可以进入到内部，为救援行动的迅速展开至关重要，所以蛇形机器人具有非常重要的研究意义。
2、当前蛇形机器人主要采用位置控制方法，然而在非结构化环境中，由于缺乏相应的自主调控方法，其运动受到较大局限，如专利[202211128264.6]提出一种多关节蛇形机器人及其运动控制方法，通过设定好的运动曲线，使蛇形机器人做蜿蜒、蠕动、翻滚运动。这种限制表现在机器人无法灵活适应复杂地形和不规则表面，使得其在实际应用中的自主性不足。对于大多数蛇形机器人而言，其运动行为通常受到传统位置控制方法的限制，而忽略了对环境力的实时感知和调节的重要性。在非结构化环境下，这种缺失导致机器人无法进行即时的自主调控，影响了其运动的灵活性和适应性。
3、蛇形机器人在非结构环境中的探索，大多数搭载了传感器，通过传感器与环境之间的交互，完成探索任务，如专利[201710515782.6]提供了一种煤矿救援蛇形机器人及其煤矿救援方法，通过红外和超声波传感器以及摄像头进行探索。机器人身上搭配很多的传感器，会使制造成本增加的同时机器人的机动性也会有所影响；传感器与复杂环境之间的感知和控制系统，增加了机器人的系统复杂性，并且对数据处
技术实现思路
1、为解决上述的技术问题，提出了一种狭窄不规则环境中蛇形机器人运动和探索的控制方法，包括以下步骤：
2、s1组装一条p-y正交的脱绳脱缆的蛇形机器人，防止蛇形机器人在运动的过程中由于供电线磨损而导致无法工作，首先为pc上位机通过rs485为蛇形机器人传输预先设定的运动步态，每个模块之间单独供电模块，通过uart为每个舵机进行串行通信发送控制命令。
3、s11本专利技术涉及一种无轮蛇形机器人的机械结构，包括互相连接的首部1，身部2和尾部3组成，其中身部2至少由两节以上的单体关节组成。
4、s12所述两个关节，水平摆动舵机211与水平摆动关节212通过六角螺钉固定连接，上下摆动舵机221与上下摆动关节222通过六角螺钉固定连接。如水平摆动舵机211带动水平摆动关节212及以后的单体关节，通过此结构，较为简洁地实现了蛇形机器人的水平和俯仰动作。通过多关节之间的配合，可实现蛇形机器人的螺旋滚动。其中的摆动舵机为市场销售产品，可以在市面上购得。
5、s13所述水平摆动舵机211接受控制命令，带动水平关节21产生在水平和前后方向的速度，上下摆动舵机221接受控制命令，带动上下关节22，产生在上下和前后方向的速度。
6、s2通过对现有骨干曲线的改进，使蛇形机器人能够形成独特的螺旋滚动步态。
7、s21，原有的参数方程无法使蛇形机器人构成复杂的运动步态，因此我们使用骨干曲线控制蛇形机器人的构型，骨干曲线如公式(1)所示：
8、
9、其中，sh是蛇机器人在目标连续曲线上的头部位置，σ(s)是连续曲线上的挠率，ke和ko分别为骨干曲线上俯仰关节和偏航关节的曲率，ψ(0)为初始角度的常数，通过更改ψ(0)可以使蛇形机器人初始改变空间角度；
10、s22，对(1)中骨干曲线进行改进后，使蛇形机器人的螺旋滚动步态，不再是斜向前运动，而是前向运动，这在探索时极为重要，具体为公式(2)所示：
11、
12、其中λ为偏移量，蛇形机器人的俯仰关节和偏航关节通过偏移量产生相位差，将斜向的偏移抵消掉，以此实现螺旋滚动步态的前向运动；
13、所述步骤s3中，具体为：
14、s31，pid控制作为一种广泛应用的控制方法，在蛇形机器人各个伺服舵机的位置信息反馈处理上具有显著的适用性，具体公式如(3)所示：
15、
16、其中e(t)为目标值和被控量之间的误差，也作为控制系统的输入，kp、ki和kd分别为比例增益、积分增益、微分增益；
17、因为蛇形机器人是由各个独立模块组装而成，且每个舵机的关节角度呈现离散特性，故采纳离散pid控制模型，在公式(3)的基础上，更改为公式(4)：
18、u(k)＝kperr(k)+ki∑err(k)+kd(err(k)-err(k-1)) (4)
19、s32通过舵机的电流、速度和力矩反馈，力矩控制系统的位置和速度回路采用位置pid和速度pid生成期望力矩；
20、螺旋滚动步态力矩控制系统，首先，pc控制器发出蛇形机器人各个关节模块的运动控制指令，使其构成螺旋滚动步态，通过舵机的反馈，获取它们的位置信息，然后，通过预先设定好的力矩控制函数，将各个关节模块的位置信息作为初始的输入力矩τi，并输入到力矩pid模块，随后，基于各个关节模块的目标位置θi和速度位置和速度控制回路通过pid生成期望力矩，结合各个关节模块的力矩反馈得到输出力矩τ来控制舵机的运动；
21、根据位置控制中各个关节模块反馈的位置信息生成关节原始输入转矩τm，同时，将目标位置θm、速度和力矩πm分别发送至相应控制回路，最终在复杂环境中生成关节期望力矩，实现自适应的螺旋滚动运动，具体公式如(5)所示：
22、
23、其中(τe(s)，τo(s))分别为力矩τm俯仰和偏航关节相应的力矩，τr为曲线半径改变后位置信息转换为力矩信息，曲线改变所需要的力矩，p(θ)表示相应的位置pid控制器，表示相应的速度pid控制器。
24、所述步骤s4中，具体为：
25、s41，通过对以往蛇形机器人的控制研究，根据蛇形机器人的俯仰和偏航关节施加相应的力矩(τe(s)，τo(s))，能够得到蛇形机器人的原始输入力矩，而蛇形机器人的力矩(τe(s)，τo(s))与每个关节的俯仰和偏航曲率(ke(s)，ko(s))也有关系，这样的力矩控制策略可以使蛇形机器人实现特定的运动模式和轨迹，具体公式如(6)所示：
26、
27、s42，在公式(7)中，q是关于外侧和背侧曲率的缩放参数，称为弹性系数，作为产生外侧和背侧关节的力矩作为控制器的力矩增益，h为螺旋滚动步态之间每个周期之间的间距，间距的大小可以使蛇形机器人伸缩或舒张，使其改变运动半径的大小，曲线半径调节模块通过使用δr自主缩放基于位置控制螺旋滚动运动的半径r去生成所需的力矩，其中，δr是基于位置控制的滚动运动曲线得出的位置偏差，最终，使本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种狭窄不规则环境中蛇形机器人运动和探索的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种狭窄不规则环境中蛇形机器人运动和探索的控制方法，其特征在于：所述的组装一条P-Y正交的脱绳脱缆的蛇形机器人，包括互相连接的首部1，身部2和尾部3组成，其中身部2至少由两节以上的单体关节组成，每个单体关节通过锂电池供电，采取串联的方式，使每个关节之间进行通信，可防止蛇形机器人在运动的过程中由于供电线磨损而导致无法工作，并且可以实现远距离传输信号。
【技术特征摘要】
1.一种狭窄不规则环境中蛇形机器人运动和探索的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种狭窄不规则环境中蛇形机器人运动和探索的控制方法，其特征在于：所述的组装一条p-y正交的脱绳脱缆的蛇形机器人，包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪剑鸣，杨会卓，肖轩，孙玉宽，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：
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