(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN105563483A (43)申请公布日2016.05.11 (21)申请号201510883311.1 (22)申请日2015.12.04 (71)申请人北京理工大学 地址100081北京市海淀区中关村南大街5 % (72)发明人邓宏彬王超彭演宾彭腾 赵娜李东方李科伟张国秀 陈振满 (51)1nt.Cl. B25J9/16(2006.01) B25J9062006.01) 权利要求书1页说明书4页附图2页 (54)发明名称 一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控 制方法 (57)摘要 本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯 运动的组合控制方法，属于机器人控制领域。本 发明包括如下步骤，引入用于调节幅值角α的幅 值调整因子℃，当中α时，蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进 行转弯的操作和通过调节幅值调整因子调节 幅值角α，采用方程组（⑤）控制使蛇形仿生机器 人转弯运动时保持转弯前的转弯角度中和蛇形 曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的运动 状态恢复到原始状态。本发明要解决的技术问题 是，在具有切线控制法优点的基础上进一步减小 转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性。 么cos(bs） 0s2 (s)= ga cos(hs》 y≤s≤3 ac0sh-8:)+π/2+s≥s(5) 857904401 石
CN105563483A 权利要求书 1/1页 1.一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤一：为减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，引入用于调节幅值角α 的幅值调整因子($>0)，使得调节前的幅值角α1和调节后的幅值角a2满足公式(1)， a2=℃a1(1) 步骤二：为保证变幅值后关节角度0(s)变化的连续性，关节角度0(s)应满足公式(2)， 0(s)=aicos(bsf)=a2cos(bsf)=0 (2) 其中，b为比例系数，sf为变幅值时刻蛇形仿生机器人的运动距离，所述的变幅值时刻选 在曲线切线角度变化率最大处的时刻： 步骤三：当蛇形仿生机器人蛇头的方向运动到所需转弯角度中时，利用如方程组(3)切 线控制方程进行转弯运动， 0(sz)=a2cos(bsz)=φ s)=4co(-+7+ (3) 其中：a1α时，蛇形仿 生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子℃调节幅值角α，使得 幅值角α增大到满足Φ<ā的合适值后，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保 持转弯前的转弯角度Φ和蛇形曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的幅值角α恢复到原 始幅值角α，蛇形仿生机器人不必再进行调整幅值角α，实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇 形曲线保持不变，保证转弯角度中连续，提高运动稳定性。 2.如权利要求1所述的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，其特征在 于：通过调节幅值角α，可解决转弯角度φ受幅值限制问题。 2
CN105563483A 说明书 1/4页 一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法 技术领域 [0001] 本发明涉及一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的控制方法，尤其涉及一种用于蛇 形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，属于机器人控制领域。 背景技术 [0002]蛇形仿生机器人是一种多关节、高冗余、无肢结构的仿蛇机器人，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、险境探测等许多领域都具有 广泛的应用前景。 [0003]在蛇形仿生机器人行进当中，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做出方向调整，绕开 障碍物或者调整方向对准目标前进。 [0004]传统的工业机器人相比，蛇形仿生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得多。 [0005]目前，大多数仿生机器蛇常用的转弯控制方法有中心值控制法、相位控制法和幅 值控制法，虽然可以实现机器人的转弯运动，但在实验中，中心值控制法转弯时机器人转弯 角度不准确，关节角度变化幅度大，导致机器人抖动：相位控制法转弯时由于关节角度有明 显的突变，造成了机器人各关节先后出现抖动现象：幅值控制法转弯半径较大、时间较长。 [0006]此外，蛇形仿生机器人的转弯运动切线控制法在变幅值操作时，存在下述三个缺 点：(1)转弯时间长：(2)严重影响蛇形仿生机器人的运动稳定性：(3)完成转弯运动后，还需 再次进行变幅值操作以加快机器人运动速度，增加了系统负担。 发明内容 [0007]本发明针对蛇形仿生机器人常用的三种转弯控制方法不足，以及蛇形仿生机器人 的转弯运动切线控制法在变幅值操作时存在的下述两个缺点：(1)转弯时间长：(2)严重影 响蛇形仿生机器人的运动稳定性。本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合 控制方法要解决的技术问题是，具有切线控制法的优点，且在切线控制法上进一步减小转 弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，所述的切线控制法的优点指使蛇形仿生机器 人转弯过程中和转弯后充分保持蛇形曲线保持不变，并且能够避免转弯角度受幅值限制、 不连续的问题。 [0008] 本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，包括如下步 骤： [0009] 步骤一：为减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，引入用于调节幅值 角a的幅值调整因子℃(g>0),使得调节前的幅值角α1和调节后的幅值角α2满足公式(1)， [0010]a2=℃a1(1) [0011]步骤二：为保证变幅值后关节角度0(s)变化的连续性，关节角度0(s)应满足公式 3
CN105563483A 说明书 2/4页 (2), [0012]0(s)=aicos(bsr)=a2cos(bsr)=0 (2) [0013] 其中，b为比例系数，S为变幅值时刻蛇形仿生机器人的运动距离，所述的变幅值 时刻选在曲线切线角度变化率最大处的时刻 [0014] 步骤三：当蛇形仿生机器人蛇头的方向运动到所需转弯角度中时，利用如方程组 (3)切线控制方程进行转弯运动， 0(s.)=az cos(bs)= [0015] (s)=a cos(b(s-s.)++ (3) [0016] 其中：a1α时， 蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子℃调节幅值角 α，使得幅值角α增大到满足中<a的合适值后，采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人转弯 运动时保持转弯前的转弯角度φ和蛇形曲线，完成转弯的同时，蛇形仿生机器人的幅值角ā 恢复到原始幅值角α，蛇形仿生机器人不必再进行调整幅值角α，实现蛇形仿生机器人转弯 过程中蛇形曲线保持不变，保证转弯角度φ连续，提高运动稳定性。 [0023]有益效果： [0024]1、本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，通过采用公 式(1)至公式(5)控制使蛇形仿生机器人转弯运动时保持转弯前的转弯角度Φ和蛇形曲线， 可有效解决相位控制法出现转弯角度不连续的缺点。 [0025]2、本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，通过调节幅 值角α，可解决转弯角度受幅值限制问题。 [0026]3、本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，蛇形仿生机 器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子℃调节幅值角α完成转弯， 蛇形仿生机器人的运动状态恢复到原始状态，系统不必再进行调整，可实现蛇形机器人运 动转弯更准确、转弯时间更短，提高运动稳定性
CN105563483A 说明书 3/4页 附图说明 [0027] 图1是组合控制法下的蛇形仿生机器人运动轨迹图（其中：A处增幅值，B处减幅值 并转弯)； [0028]图2是组合控制下不同转弯角度的蛇形仿生机器人运动轨迹图： [0029] 图3是组合控制法下转弯处关节角度变化图。 具体实施方式 [0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，结合附图 对本发明基于不同的幅值角和转弯角度进行详细说明。 [0031] 本发明公开的一种用于蛇形仿生机器人转弯运动的组合控制方法，包括如下步 骤： [0032] 步骤一：为减小转弯时间，增强蛇形仿生机器人的运动稳定性，引入用于调节幅值 角a的幅值调整因子（化>0），使得调节前的幅值角α1和调节后的幅值角a2满足公式(1)， [0033] a2=℃a1(1) [0034] 步骤二：为保证变幅值后关节角度θ(s)变化的连续性，关节角度θ(s)应满足公式 (2), [0035] 0(s)=aicos(bsf)=azcos(bsr)=0 (2) [0036] 其中，b为比例系数，S为变幅值时刻蛇形仿生机器人的运动距离，所述的变幅值 时刻选在曲线切线角度变化率最大处的时刻。 [0037] 步骤三：当蛇形仿生机器人蛇头的方向运动到所需转弯角度中时，利用如方程组 (3)切线控制方程进行转弯运动， 0(s.)=a cos(bs.)= [0038] 0)=acos(b(s-5,)+)+ (3) [0039] 其中：a1<中<a2,sz为转弯时刻蛇形仿生机器人的运动距离。 [0040] 步骤四：蛇形仿生机器人进入转弯时，关节角度0(s)和转弯角度中需满足公式 (4), [0041] im0()=1im0=￠(4) → [0042] 步骤五：蛇形仿生机器人在转弯处通过公式(1)至(4)联立得到方程组(5)，使得关 节角度0(s)是连续的。 a cos(bs) 0<N<8x [0043] θs)={acos(bs) SxS8≤8 a cos(b(s-s,)+/2)+s2s (5) [0044] 步骤六：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度中小于幅值角α时，即当中<ā 时，幅值调整因子g=1,即α2=α1，无需调整幅值角a,采用方程组(5)控制使蛇形仿生机器人 转弯运动时保持转弯前的转弯角度Φ和蛇形曲线，即实现蛇形仿生机器人转弯过程中蛇形 曲线保持不变，保证转弯角度中连续，提高运动稳定性
CN105563483A 说明书 4/4页 [0045]步骤七：蛇形仿生机器人转弯运动时，当转弯角度Φ大于幅值角α时，即中>ā时， 蛇形仿生机器人在转弯过程中，同时进行转弯操作和通过调节幅值调整因子；调节幅值角 α，使得幅值角α增大到满足中a,所以在转弯过程中同时进行 了增减幅值角a和转弯的操作，在A处增加幅值角a,在B处减小幅值角a,且在一个系统周期 内同时完成，转弯时间少，转弯半径小，保留了切线控制法的转弯优势：完成转弯的同时，蛇 形仿生机器人的幅值角a参数恢复到原始幅值角α，蛇形仿生机器人不必再进行幅值角a调 整，减轻了蛇形仿生机器人负担。 [0047]如图2所示，分别利用组合控制法实现40°、50°、60°和70°转弯角度Φ的转弯运动， 转弯时，蛇形仿生机器人先进行变幅值角α操作，待蛇头转到所需转弯角度中时，将蛇形仿 生机器人幅值角α恢复原始幅值角α并进行转弯，完成转弯后继续向前运动，转弯准确，效果 明显。 [0048]如图3所示，采用组合控制法蛇形仿生机器人在1/4个周期内就完成了转弯运动： 从关节角度的变化可以看出，与变幅值角α切线控制法相比，蛇形仿生机器人恢复到转弯前 的幅值角α更快捷简单，蛇形仿生机器人更稳定。 [0049]应该理解的是，本实施方式只是本发明实施的具体实例，不应该是本发明保护范 围的限制。在不脱离本发明的精神与范围的情况下，对上述内容进行等效的修改或变更均 应包含在本发明所要求保护的范围之内。 6
CN105563483A 说明书附图 1/2页 0 0 蛇筒进座篇垫播m 3 2 蛇前进距离×坐标m 图1 转震角度度 转蕊角度道 8 楼签角度如度 转高角度7心度 谷 4 3 蛇翦进距离鬯标m 图2 7
CN105563483A 说明书附图 2/2页 转鸾角贺40德 转弯角度0膜 转薄角蔗簿度 转斋鸾角度0意 05 3.2 338 38442444.848 5 蛇前进距离 图3 8