一種具有柔性連桿的蛇形機器人及仿生控制方法與流程

本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種具有柔性連桿的蛇形機器人及其仿生控制方法。

背景技術：

生物蛇的運動模式具有較高的魯棒性、穩定性和環境適應性，其中側向蜿蜒運動是生物蛇最典型和最高效的運動模式之一。蛇形機器人是一種以生物蛇為原型的多自由度欠驅動仿生機器人，利用關節與連桿模擬生物蛇的脊柱結構。蛇形機器人具有結構獨特、控制靈活等優點，能夠在狹小空間或復雜地形中實現穩定靈活地運動，因此多應用于地震、火災等災后搜救領域。

隨著機器人機構的發展和受仿生學啟發，近些年機器人的柔順特性得到了越來越廣泛的關注。為提高蛇形機器人的運動效率和性能，目前主要采用三種方式：（1）通過復雜的控制系統（如力控制系統、阻抗控制等）使剛性結構的蛇形機器人實現柔順運動；（2）利用柔性關節（如串聯彈性驅動器、變剛度驅動器等）實現蛇形機器人的柔順運動，具有一定的被動式適應性；（3）采用全柔性機械結構設計蛇形機器人。但以上三種方法存在如下缺陷：（1）剛性結構的蛇形機器人在運動過程中的能耗較高，且實現柔順運動和環境適應性的控制系統較為復雜；（2）柔性關節的機械結構較為復雜，較大程度地增加了蛇形機器人的造價；（3）全柔性機構的蛇形機器人控制精度較低。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出一種具有柔性連桿的蛇形機器人及其仿生控制方法，為克服背景技術中所提到的控制系統及機械結構復雜、能耗較高和控制精度低等技術缺陷。

本發明通過以下技術方案實現：

本發明的具有柔性連桿的蛇形機器人主要包含若干個串行連接的基本單元模塊，基本單元模塊間通過螺絲固定連接，通過添加或減少基本單元模塊實現擴展蛇形機器人體型規模。

每個基本單元模塊由一個柔性單元和一個驅動關節裝置固定連接而成。其中柔性單元包括前半圓U形框、工字形柔性體、從動輪、后半圓U形框及彎曲傳感器。所述的工字形柔性體采用橡膠材料，在其兩端分別加工兩個安裝孔，前后半圓U形框分別與工字形柔性體兩端的安裝孔固定連接，前后半圓U形框的外輪廓相切，工字形柔性體在外力（基本單元模塊間內力或蛇形機器人受環境外力等）的作用下，會繞其中垂線旋轉。從動輪安裝在后半圓U形框的旋轉軸孔上，工字形柔性體的中心孔中安裝彎曲傳感器，實現工字形柔性體的彎曲度測量。

驅動關節裝置包括數字舵機、舵機輸出盤、U形擺臂和3個外框架。舵機輸出盤與數字舵機通過花鍵和螺絲固定連接。U形擺臂與舵機輸出盤固定連接，U形擺臂與下一基本單元模塊的前半圓U形框固定連接，3個外框架分別安裝在數字舵機除U形擺臂固定面的另外三面上，其中，與U形擺臂相對的外框架與本基本單元模塊的后半圓U形框固定連接。

為實現所設計蛇形機器人的高效率、高性能運動，本發明還提出一種基于雙層中樞模式發生器的仿生運動控制方法，雙層中樞模式發生器分為節律發生器層和運動神經元層，分別控制蛇形機器人關節動作的相位和運動曲線，其輸出的關節位置信號直接通過RS-485總線接口傳送給數字舵機內部的控制單元，從而實現蛇形機器人關節間的協調動作，進而推動蛇形機器人運動，運動神經元層接收來自柔性單元的彎曲傳感器的反饋信號，實時調節蛇形機器人的形態。

本發明具有以下有益效果：一、有效地降低了蛇形機器人能耗及控制系統復雜度；二、簡單的柔性機械結構，使蛇形機器人具備一定被動適應性，同時降低了機器人造價；三、結合剛性機構與柔性機構，利用傳感反饋實現高精度、高效率的運動控制。

附圖說明

圖1 蛇形機器人整體結構圖；

圖2 蛇形機器人基本單元模塊結構圖；

圖3 蛇形機器人柔性單元結構圖；

圖4 蛇形機器人工字形柔性體及彎曲傳感單元結構圖；

圖5 蛇形機器人驅動關節裝置結構圖；

圖6 蛇形機器人控制系統結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步詳細說明。

參見圖1所示，本發明設計的一種具有柔性連桿的蛇形機器人，該蛇形機器人包含十個串行連接的基本單元模塊1，允許通過增加或減少基本單元模塊1的數量實現蛇形機器人體型規模的擴展。

參見圖2所示，蛇形機器人基本單元模塊1由柔性單元3和驅動關節裝置2構成，柔性單元3和驅動關節裝置2同樣通過安裝孔串行固定連接。

參見圖3和圖4所示，柔性單元3由前半圓U形框101、工字形柔性體102、被動輪103、后半圓U形框104、以及彎曲傳感器105構成。工字形柔性體102為橡膠材料，在其兩端分別加工有安裝孔，前后半圓U形框分別與工字形柔性體102兩端的安裝孔固定連接，前半圓U形框101與后半圓U形框104外輪廓相切，保證了工字形柔性體102只能繞其中垂線旋轉，并通過彎曲傳感器105實時檢測工字形柔性體102的彎曲角度。

參見圖5所示，驅動關節裝置2包括數字舵機202、舵機輸出盤204、U形擺臂203和3個外框架201、205、206。舵機輸出盤204與數字舵機202通過花鍵和螺絲固定連接。U形擺臂203與舵機輸出盤204固定連接，3個外框架201、205、206分別安裝在數字舵機202除U形擺臂固定面的另外三面上。U形擺臂203與下一基本單元模塊的前半圓U形框101通過安裝孔固定連接，安裝在與U形擺臂相對的面上的外框架206與本基本單元模塊的后半圓U形框104通過安裝孔固定連接。

參見圖6所示，針對本發明所設計的蛇形機器人，提出一種基于雙層中樞模式發生器的運動控制器，該運動控制器包含節律發生器層301，運動神經元層302及PID模塊303。其中PID模塊303是由數字舵機202的內置控制單元提供，節律發生器層301的節律神經元模型公式如（1-1）所示，運動神經元層302的運動神經元模型公式如（1-2）所示。通過DSP F2812主控單元304實現仿生運動控制信號的計算，其輸出經RS-485通信總線接口依次傳送給數字舵機202。柔性單元3內的工字形柔性體102內的彎曲傳感器105經由DSP F2812主控單元304的ADC檢測其輸出角度，將該值帶入式（1-2）計算蛇形機器人的關節控制信號。

其中，參數θ_i是節律神經元的狀態變量，ω_i是節律神經元的固有頻率，w_ij是節律神經元間的耦合權重， Φ_i是節律神經元層301的輸出信號。

其中，參數z_i是運動神經元的狀態變量，y_i運動神經元的輸出變量，τ是運動神經元的時間常數，α和β是運動神經元的比例常數，保持等式α=4β，y_des(Φ_i)是蛇形機器人關節控制目標函數，A_i是關節振蕩幅值，x_i是關節偏移量，ξ_i表示彎曲傳感器105的反饋輸入。