王超 鄧宏彬 彭演賓 李東方 趙娜

蛇形仿生機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)、高冗余、無(wú)肢結(jié)構(gòu)的仿蛇機(jī)器人,具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)形式多變、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在戰(zhàn)場(chǎng)突襲、救災(zāi)搜救、險(xiǎn)境探測(cè)等許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景[1].從1972年Tokyo Tech的Shigeo Hirose研制出第1臺(tái)蛇形機(jī)器人ACM III[1,2]至今,相繼有數(shù)十臺(tái)蛇形機(jī)器人樣機(jī)問(wèn)世.

在蛇形仿生機(jī)器人行進(jìn)當(dāng)中,必然會(huì)遇到不可逾越的障礙物或者運(yùn)動(dòng)方向與目標(biāo)之間有一定角度的情況,這就要求機(jī)器人能根據(jù)自身結(jié)構(gòu)和當(dāng)前環(huán)境作出方向調(diào)整,繞開障礙物或者調(diào)整方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)前進(jìn).目前,對(duì)蛇形仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究都集中在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及其在控制上的實(shí)現(xiàn),但國(guó)內(nèi)外對(duì)于蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)控制研究見(jiàn)諸文獻(xiàn)較少.與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人相比,蛇形仿生機(jī)器人沒(méi)有固定的基坐標(biāo),運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角有關(guān),是具有非完整約束的動(dòng)力系統(tǒng),并且其關(guān)節(jié)數(shù)較多、長(zhǎng)度都較大,使其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模比串聯(lián)機(jī)器人復(fù)雜得多[3].

本文針對(duì)蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎控制這一問(wèn)題,基于蛇形曲線的蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,提出了4點(diǎn)判斷轉(zhuǎn)彎控制方法優(yōu)劣的準(zhǔn)則,分析了常用的3種轉(zhuǎn)彎控制方法:中心值控制法、相位控制法[4]和幅值控制法[4?5]的優(yōu)缺點(diǎn),并基于相位控制法出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎角度不連續(xù)的缺點(diǎn)提出了切線控制法,進(jìn)而基于切線控制法和幅值控制法各自的優(yōu)缺點(diǎn)提出了組合控制法,解決了蛇形仿生機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過(guò)程中和轉(zhuǎn)彎后充分保持蛇形曲線、轉(zhuǎn)彎角度受幅值限制、不連續(xù)等問(wèn)題,轉(zhuǎn)彎更準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)彎時(shí)間更短、效果更明顯;最后,介紹了蛇形仿生機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī),并將幾種轉(zhuǎn)彎控制方法在樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

1 轉(zhuǎn)彎控制的提出

蛇形仿生機(jī)器人可通過(guò)采集蛇頭的運(yùn)動(dòng)信息來(lái)不斷調(diào)整各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速率以保障仿生蛇的直線前進(jìn),但絕對(duì)的直線前進(jìn)是不可能的,其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于滑動(dòng)的原因必然產(chǎn)生偏離原路徑的運(yùn)動(dòng),或者由于環(huán)境和任務(wù)的需要而執(zhí)行某種偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).因此,對(duì)蛇形仿生機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制是十分必要的,這包括轉(zhuǎn)彎方向和轉(zhuǎn)彎角度兩個(gè)方面的控制.

1.1 轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)

蛇形曲線[6]是日本東京工業(yè)大學(xué)Hirose教授針對(duì)蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)提出的,并經(jīng)由馬書根[7]等人進(jìn)行大量的蛇形機(jī)器人試驗(yàn),證明了該曲線使得蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率高、波形連續(xù)[7].

蛇形曲線的曲率方程為ρ=?αbsin(bs),其中α為幅值角,b為比例常數(shù),s為蛇形曲線長(zhǎng)度,如圖1所示.

根據(jù)曲率方程可推導(dǎo)出各個(gè)關(guān)節(jié)角關(guān)于時(shí)間的函數(shù)為:

其中:A=?2αsin(bl)為幅值,l為蛇形機(jī)器人單元長(zhǎng)度;ωt=bs,其中ω為角速率;β=2bl為相鄰關(guān)節(jié)間相位角;i=1,2...n.

蛇形曲線給出了蛇形仿生機(jī)器人在做蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)角度隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá),實(shí)際上蛇形曲線并不局限于蜿蜒運(yùn)動(dòng),它的其他運(yùn)動(dòng)方式都可以將蛇形曲線作為基礎(chǔ)進(jìn)行演化,包括對(duì)蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎控制.

圖1 蛇形曲線

1.2 優(yōu)劣評(píng)判準(zhǔn)則

根據(jù)蛇形曲線的表達(dá)式可知,可通過(guò)改變3個(gè)曲線參數(shù)來(lái)控制轉(zhuǎn)彎:中心值、相位和幅值[4].通過(guò)改變這3個(gè)參數(shù)的控制方法都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,但是每種控制方法都有它的優(yōu)劣,所以我們提出了幾點(diǎn)判斷轉(zhuǎn)彎控制方法優(yōu)劣的準(zhǔn)則.

1)繼承蛇形曲線的程度

蛇形曲線是蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ),為了保持蛇形仿生機(jī)器人高效率的運(yùn)動(dòng),無(wú)論在轉(zhuǎn)彎時(shí)還是轉(zhuǎn)彎后機(jī)器人要能夠保持基于蛇形曲線的運(yùn)動(dòng)方式.否則,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的紊亂,主控制器不得不重新處理,加重了系統(tǒng)負(fù)擔(dān).

2)關(guān)節(jié)角度的連續(xù)性

蛇形仿生機(jī)器人是一種多關(guān)節(jié)的、高冗余、無(wú)肢機(jī)器人,其無(wú)論是轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)還是直行運(yùn)動(dòng)都是依靠各關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使得關(guān)機(jī)角度不斷發(fā)生改變,繼而完成波的傳遞向前運(yùn)動(dòng).因此,蛇形仿生機(jī)器人在直行、轉(zhuǎn)彎時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度變化應(yīng)是連續(xù)的.電機(jī)角度突變會(huì)造成電機(jī)負(fù)載增大,對(duì)供電系統(tǒng)、散熱部件都會(huì)帶來(lái)壓力;同時(shí),也會(huì)增大機(jī)器人局部抖動(dòng),對(duì)仿生蛇的受力情況造成不利影響,影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)壽命.

3)轉(zhuǎn)彎效果及準(zhǔn)確性

參照普通機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎控制,蛇形仿生機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎控制時(shí)要控制簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)彎快、轉(zhuǎn)彎效果明顯且轉(zhuǎn)彎角度準(zhǔn)確,其中,轉(zhuǎn)彎角度準(zhǔn)確是第一位的.準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎可以大幅度減少甚至消除轉(zhuǎn)彎后的其他輔助操作,如恢復(fù)之前的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)態(tài)、轉(zhuǎn)彎角度的糾正等.

4)轉(zhuǎn)彎時(shí)關(guān)節(jié)角度變化的幅值

無(wú)論采取何種轉(zhuǎn)彎控制方法,本質(zhì)上都是改變各個(gè)關(guān)節(jié)角度的變化規(guī)律,這必然會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)角度變化的幅值發(fā)生改變.關(guān)節(jié)角度變化的幅值過(guò)大,關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)慣性增大,會(huì)影響相鄰關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),給整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響.因此,關(guān)節(jié)角度變化的幅值不易過(guò)大.

2 常用轉(zhuǎn)彎控制方法

2.1 中心值控制法

中心值控制的數(shù)學(xué)表達(dá)為

式中:c為比例常數(shù),用來(lái)改變蛇形曲線的形狀,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng);sz(s>sz)為轉(zhuǎn)彎前蛇形仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離.

轉(zhuǎn)彎角度為

經(jīng)過(guò)一系列仿真計(jì)算,可以知道中心值控制法的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎時(shí)關(guān)節(jié)角度變化連續(xù),轉(zhuǎn)彎效果明顯,能在較大范圍內(nèi)持續(xù)轉(zhuǎn)彎,并能實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng),如圖2所示；缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎時(shí)沒(méi)有充分保持蛇形曲線,轉(zhuǎn)彎時(shí)存在明顯的轉(zhuǎn)彎半徑,轉(zhuǎn)彎時(shí)間較長(zhǎng),關(guān)節(jié)角度變化的幅值較大,如圖3所示.

圖2 不同中心值調(diào)整因子的蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 不同中心值調(diào)整因子切線角度對(duì)比

2.2 相位控制法

相位控制法數(shù)學(xué)表達(dá)為

其中,σ為相位調(diào)整因子.

如圖4所示,相位控制法的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎過(guò)程中和轉(zhuǎn)彎后仿生蛇都能充分保持蛇形曲線,轉(zhuǎn)彎準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)彎時(shí)間短、轉(zhuǎn)彎效果明顯;缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩次關(guān)節(jié)角度不連續(xù)的情況,并且轉(zhuǎn)彎角度越大,角度突變?cè)酱?如圖5所示.基于相位控制法的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)應(yīng)用較為廣泛[3].

2.3 幅值控制法

幅值控制法的數(shù)學(xué)表達(dá)為

轉(zhuǎn)彎角度為

其中:Lx、Ly分別為一個(gè)周期內(nèi)蛇頭前進(jìn)的x和y方向的位移.

圖4 不同轉(zhuǎn)彎角度的蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 不同轉(zhuǎn)彎角度的角度變化對(duì)比

如圖6、圖7所示,幅值控制法的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎過(guò)程中和轉(zhuǎn)彎后仿生蛇都能充分保持蛇形曲線,轉(zhuǎn)彎時(shí)關(guān)節(jié)角度連續(xù),轉(zhuǎn)彎較準(zhǔn)確,有多次轉(zhuǎn)彎角度調(diào)節(jié)機(jī)會(huì);缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎角度受到限制,轉(zhuǎn)彎半徑大、轉(zhuǎn)彎時(shí)間長(zhǎng).

3 優(yōu)化轉(zhuǎn)彎控制方法

3.1 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

前面介紹的3種控制方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示.

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn),上述3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)是互補(bǔ)的,例如相位控制會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)角度的不連續(xù),而中心值控制法和幅值控制法則不存在這個(gè)問(wèn)題;又例如中心值控制法和幅值控制法的轉(zhuǎn)彎角度并不十分準(zhǔn)確,相位控制法則轉(zhuǎn)彎角度很準(zhǔn)確,控制起來(lái)也很方便.

圖6 不同?α下蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 不同?α的切線角度變化

3.2 切線控制法

切線控制法是在相位控制法的基礎(chǔ)上,為了彌補(bǔ)相位控制出現(xiàn)的轉(zhuǎn)彎角度不連續(xù)的缺點(diǎn)而提出的.由式(4)可知,若要保持轉(zhuǎn)彎角度連續(xù),則在轉(zhuǎn)彎處,蛇形曲線的切線必須相同,有

即

為保證式(8)有解,φ<α,即切線控制法下轉(zhuǎn)彎角度是受幅值限制的.因此,對(duì)于確定的蛇形曲線,采用切線控制法只能實(shí)現(xiàn)有限角度下的轉(zhuǎn)彎,無(wú)法實(shí)現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)彎.

切線控制法下,蛇形仿生機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示.可以看出,采用切線控制法,轉(zhuǎn)彎準(zhǔn)確,轉(zhuǎn)彎角度連續(xù)且可以保證轉(zhuǎn)彎后依然保持蛇形曲線.

圖8 切線控制下蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎軌跡

切線控制法與相位控制法下蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎軌跡如圖9所示,二者都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)彎角度,不同的是,切線控制法在轉(zhuǎn)彎處的關(guān)節(jié)角度是連續(xù)的,相位控制法在轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)明顯的兩次突變,如圖10所示.

在轉(zhuǎn)彎角度條件允許的情況下,可以選擇切線控制法控制蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng);如果轉(zhuǎn)彎角度φ>α,也可以采取切線控制法,只不過(guò)在轉(zhuǎn)彎控制前必須將系統(tǒng)幅值α增大到合適值,即先進(jìn)行變幅值操作.為保證曲線連續(xù)性,緩解電機(jī)壓力,需要在角度變化率為0時(shí),進(jìn)行變幅值操作.

表1 3種控制法對(duì)比表

圖9 切線控制和相位控制下蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比

圖10 切線控制與相位控制下轉(zhuǎn)彎角度變化對(duì)比

變幅值后,蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示.此軌跡明顯分為了3段,A段為變幅值前的蛇形軌跡,此時(shí)幅值較小;B段為變幅值后的蛇形軌跡,此時(shí)幅值變大,為后面的切線控制法下的轉(zhuǎn)彎做準(zhǔn)備;C段為轉(zhuǎn)彎后的蛇形軌跡.可以看出,變幅值操作不會(huì)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向,并且關(guān)節(jié)角度保持連續(xù).完成轉(zhuǎn)彎后,減小系統(tǒng)幅值使得蛇形曲線中波的個(gè)數(shù)減少,機(jī)器人前進(jìn)速度加快.

圖11 變幅值切線控制法下蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

取系統(tǒng)初始幅值α=π/6,如圖12所示,每一種情況下的轉(zhuǎn)彎角度都很準(zhǔn)確,轉(zhuǎn)彎半徑小,效果明顯.系統(tǒng)根據(jù)不同的轉(zhuǎn)彎角度選擇是否進(jìn)行幅值變換.例如,當(dāng)φ=15?時(shí),滿足φ<α,無(wú)需變幅值即可直接進(jìn)行切線控制法轉(zhuǎn)彎;當(dāng)φ>α?xí)r,則在切線轉(zhuǎn)彎之前要進(jìn)行變幅值操作,如當(dāng)φ=35?時(shí),在轉(zhuǎn)彎前先將系統(tǒng)幅值增為α2=50?,然后再進(jìn)行切線控制法轉(zhuǎn)彎;而當(dāng)φ增至55?,此時(shí)進(jìn)一步增大系統(tǒng)幅值α2=70?再進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制.

圖12 切線控制下不同轉(zhuǎn)彎角度的蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖13、圖14所示,無(wú)論是在變幅值還是切線控制轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中,關(guān)節(jié)角度變化始終是連續(xù)的.故在切線控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行變幅值操作可以擴(kuò)大可轉(zhuǎn)彎角度的范圍,增強(qiáng)切線控制法的適用性.

圖13 增幅值處關(guān)節(jié)角度變化

圖14 切線轉(zhuǎn)彎處關(guān)節(jié)角度變化

3.3 組合控制法

從圖11可以看出,變幅值操作實(shí)際上增加了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎時(shí)間;同時(shí),大的系統(tǒng)幅值會(huì)嚴(yán)重影響蛇形仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性.完成轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)后,還需再次進(jìn)行變幅值操作以加快機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度,增加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān).

因此,為了克服變幅值操作帶來(lái)的缺點(diǎn),我們引入了幅值控制法.

首先,在這里提出一個(gè)幅值調(diào)整因子ζ(ζ>0),有

其中:α1為初始幅值,α2為調(diào)整后的幅值.

為保證變幅值后關(guān)節(jié)角度變化的連續(xù)性,有

其中:sf為變幅值時(shí)刻,蛇形仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離.變幅值時(shí)刻選在曲線切線角度變化率最大處.

當(dāng)蛇形仿生機(jī)器人蛇頭的方向運(yùn)動(dòng)到所需φ時(shí),利用切線控制法,進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),有

其中:α1<φ<α2,sz為轉(zhuǎn)彎時(shí)刻蛇形仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離.

此時(shí),有

由式(12)可以看出,在進(jìn)入轉(zhuǎn)彎時(shí),同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)相位、幅值的改變.在轉(zhuǎn)彎處有

故θ(s)在轉(zhuǎn)彎處是連續(xù)的,有

由式(14)可以知道,采用組合控制法克服了切線控制法轉(zhuǎn)彎角度受到限制的缺點(diǎn),保留其全部?jī)?yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)彎準(zhǔn)確并做到了關(guān)節(jié)角度變化處處連續(xù).

取α1=30?,ζ=1.4,φ=45?,如圖 15 所示,由于φ>α,所以在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行了增減幅值和轉(zhuǎn)彎的操作,并且在一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)同時(shí)完成,轉(zhuǎn)彎時(shí)間少,轉(zhuǎn)彎半徑小,保留了切線控制法的轉(zhuǎn)彎優(yōu)勢(shì);完成轉(zhuǎn)彎的同時(shí),系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如幅值等參數(shù)恢復(fù)到原始狀態(tài),系統(tǒng)不必再進(jìn)行調(diào)整,減輕了系統(tǒng)負(fù)擔(dān).

圖15 組合控制法下的蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡(A處增幅值,B處減幅值并轉(zhuǎn)彎)

如圖16所示,分別利用組合控制法實(shí)現(xiàn)4個(gè)轉(zhuǎn)彎角度的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)彎時(shí),蛇形仿生機(jī)器人先進(jìn)行變幅值操作,等蛇頭轉(zhuǎn)到所需轉(zhuǎn)彎角度時(shí),將系統(tǒng)幅值恢復(fù)原始狀態(tài)并進(jìn)行轉(zhuǎn)彎,完成轉(zhuǎn)彎后繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)彎準(zhǔn)確,效果明顯.如圖17所示,采用組合控制法機(jī)器人在1/4個(gè)周期內(nèi)就完成了轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng);從關(guān)節(jié)角度的變化可以看出,與變幅值切線控制法相比,系統(tǒng)恢復(fù)到轉(zhuǎn)彎前的狀態(tài)更快捷簡(jiǎn)單,系統(tǒng)更穩(wěn)定.

綜上所述,組合控制法轉(zhuǎn)彎過(guò)程中和轉(zhuǎn)彎后仿生蛇都能充分保持蛇形曲線,轉(zhuǎn)彎準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)彎時(shí)間短、轉(zhuǎn)彎效果明顯,并且轉(zhuǎn)彎角度可以不受到限制,轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)關(guān)節(jié)角度始終連續(xù),相較其他的控制方法有明顯的優(yōu)勢(shì).

圖16 組合控制下不同轉(zhuǎn)彎角度的蛇形仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

4.1 蛇形仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室蛇形仿生機(jī)器人樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),如圖18所示,其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)由一系列相同模塊串聯(lián)而成,相同模塊之間采用十字型萬(wàn)向節(jié)連接,每個(gè)關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度上各安裝一個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)位置傳感器,模塊外緣均布幾個(gè)從動(dòng)輪,減小與地面的摩擦;控制系統(tǒng)采用基于RS422總線式結(jié)構(gòu)的上位機(jī)—關(guān)節(jié)控制器雙層控制,如圖19所示,每個(gè)關(guān)節(jié)控制器控制相應(yīng)關(guān)節(jié)的兩個(gè)直流電機(jī).上位機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度,將命令下發(fā)到總線上,各關(guān)節(jié)控制器通過(guò)協(xié)議解析獲取自己的轉(zhuǎn)動(dòng)角度命令,繼而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)自由度上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),位置傳感器實(shí)時(shí)將關(guān)節(jié)角度變化反饋給關(guān)節(jié)控制器,達(dá)到位置閉環(huán)控制的目的;同時(shí)關(guān)節(jié)控制器將關(guān)節(jié)角度變化上傳到總線,發(fā)送給上位機(jī),上位機(jī)就可以實(shí)時(shí)計(jì)算蛇形仿生機(jī)器人的當(dāng)前姿態(tài).

圖17 組合控制法下轉(zhuǎn)彎處關(guān)節(jié)角度變化

圖18 蛇形仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖19 蛇形仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)

利用上位機(jī)軟件分別將中心值控制法、相位控制法、幅值控制法、切線控制法和組合控制法應(yīng)用到蛇形仿生機(jī)器人樣機(jī)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)中,如圖20所示.從實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn),5種轉(zhuǎn)彎控制方法都能實(shí)現(xiàn)蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),中心值控制法轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎角度不準(zhǔn)確,關(guān)節(jié)角度變化幅度大,導(dǎo)致機(jī)器人抖動(dòng);相位控制法轉(zhuǎn)彎時(shí)由于關(guān)節(jié)角度有明顯的突變,造成了機(jī)器人各關(guān)節(jié)先后出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象;幅值控制法轉(zhuǎn)彎半徑較大、時(shí)間較長(zhǎng);切線控制法轉(zhuǎn)彎時(shí)平滑過(guò)渡,在整個(gè)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)節(jié)角度突變的情況;組合控制法轉(zhuǎn)彎時(shí)平滑過(guò)渡,轉(zhuǎn)彎半徑和時(shí)間較幅值控制法明顯減小,在實(shí)現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)彎的情況下效果明顯.

圖20 組合控制下蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)

5 結(jié)論

本文針對(duì)蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題,通過(guò)分析蛇形曲線,得出了判斷轉(zhuǎn)彎控制方法優(yōu)劣的4點(diǎn)準(zhǔn)則,對(duì)常用的3種轉(zhuǎn)彎控制方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,提出了切線控制法和組合控制法,解決了蛇形仿生機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過(guò)程中和轉(zhuǎn)彎后充分保持蛇形曲線、轉(zhuǎn)彎角度受幅值限制、不連續(xù)等問(wèn)題,并在蛇形仿生機(jī)器人樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn).結(jié)果證明,組合控制法轉(zhuǎn)彎時(shí)間短、轉(zhuǎn)彎角度準(zhǔn)確、效果明顯,對(duì)基于蛇形曲線的蛇形仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)控制有重要意義.

這項(xiàng)工作獲得了國(guó)防基礎(chǔ)科研和總裝預(yù)研支撐計(jì)劃的大力支持,在此表示衷心的感謝！