一種仿蛇搜救機器人多步態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及仿生機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是指一種仿蛇搜救機器人多步態(tài)控制 方法。 技術(shù)背景
[0002] 近年來仿蛇搜救機器人在軍事偵察、災(zāi)害搜救、管線巡檢等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng) 用潛力。隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，仿蛇搜救機器人不斷拓展 出許多運動姿態(tài)，并能在未知或復(fù)雜環(huán)境下自主選擇姿態(tài)運動。傳統(tǒng)的步態(tài)包括蜿蜒、側(cè) 滑、伸縮等蛇類運動形式，它們本質(zhì)上是周期變化的，可以通過在Central Pattern GeneratoHCPG)中設(shè)置不同控制參數(shù)獲得。但這類蛇態(tài)運動運動效率低，嚴重影響搜救進 度。因此，仿蛇搜救機器人多步態(tài)運動拓展及控制是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，吸引眾多學(xué)者 的研究興趣。
[0003] Manzoor等人在2015年在Neurocomputing期刊上針對帶有被動移動副和旋轉(zhuǎn)副關(guān) 節(jié)的蛇形機器人提出一種統(tǒng)一的神經(jīng)振蕩模型作為仿蛇搜救機器人的CPG控制蜿蜒、直線 和折疊等多種節(jié)律性運動。Richard等人在2014年IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems會議上發(fā)表了仿蛇搜救機器人的滾動和攀爬運動研 究。他們通過控制仿蛇搜救機器人關(guān)節(jié)的平移和轉(zhuǎn)動自由度實現(xiàn)仿蛇搜救機器人的滾動和 攀爬運動。郁樹梅等人在2011年機器人期刊上通過將仿蛇搜救機器人的運動分解到垂直和 水平方向，分別考慮兩方向運動控制，實現(xiàn)了機器人的3維運動控制。雖然這些方法能夠?qū)?現(xiàn)仿蛇搜救機器人多步態(tài)拓展和控制，但是還存在以下主要不足：（1)設(shè)計運動步態(tài)時一般 只考慮蛇態(tài)運動形式，模仿自然蛇運動，未考慮具有快速運動能力的非蛇態(tài)運動形態(tài)；（2) 依托機構(gòu)獨有的特性設(shè)計步態(tài)控制方法，不能有效拓展出多種控制信號，難以推廣應(yīng)用在 實際中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種仿蛇搜救機器人多步態(tài)控制方法，控制仿蛇搜救機器 人進行自然步態(tài)、輪式步態(tài)以及混純步態(tài)運動，解決上述在基于特定仿蛇機構(gòu)和傳統(tǒng)CPG方 法進行步態(tài)控制時未考慮高效運動步態(tài)生成和控制問題。本發(fā)明方法利用Η 〇 p f i e 1 d Neural Network，Motion Shape Code Technique設(shè)ir| 種針對自然步態(tài)、輪式步態(tài)以及混 純步態(tài)的多步態(tài)生成、轉(zhuǎn)換以及控制方法，使仿蛇搜救機器人能在搜救任務(wù)中合理選擇步 態(tài)，尚效完成任務(wù)。
[0005] -種仿蛇搜救機器人多步態(tài)控制方法，包含以下步驟：
[0006] 1.1構(gòu)建基于高效完成任務(wù)需求的仿蛇搜救機器人的自然步態(tài)、輪式步態(tài)以及混 純步態(tài)。
[0007] 1.2根據(jù)步驟1.1中的多種步態(tài)特征，建立仿蛇搜救機器人驅(qū)動模式與各步態(tài)之間 的對應(yīng)關(guān)系。
[0008] 主要的對應(yīng)關(guān)系包括:通過控制仿蛇搜救機器人的關(guān)節(jié)實現(xiàn)自然步態(tài)。通過控制 仿蛇搜救機器人的正交主動輪實現(xiàn)輪式步態(tài)。通過同時控制仿蛇搜救機器人的關(guān)節(jié)和正交 主動輪實現(xiàn)混沌步態(tài)。
[0009] 1.3根據(jù)步驟1.1中的多種步態(tài)特征和仿蛇機器人的實現(xiàn)模式，采用Hopfield網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計各個步態(tài)對應(yīng)的控制信號。
[00?0] 1.4根據(jù)步驟1.1中的仿蛇搜救機器人步態(tài)和步驟1.3中設(shè)計的Hopfield網(wǎng)絡(luò)步態(tài) 控制，設(shè)計前期的地形檢測模塊和步態(tài)形狀生成及轉(zhuǎn)換模塊，完成整個仿蛇搜救機器人步 態(tài)的設(shè)計和控制。
[0011] 步驟1.3根據(jù)步驟1.2中三種步態(tài)不同的驅(qū)動模式組成，為Hopfield網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重確 定提供輸出信號依據(jù)：
[0012] 自然步態(tài)運動具有周期性變化特點，期望周期性的類正弦輸入信號。將正弦曲線 尚散化，得到步態(tài)各個時刻對應(yīng)的機構(gòu)輸出信號，考慮到機構(gòu)的機械約束，加入一個變量 W = 周節(jié)輸出，然后將該信號輸入到Hopfield網(wǎng)絡(luò)中進行權(quán)重參數(shù)計算。
[0013] 輪式步態(tài)運動具有運動形狀不變性，期望不變的穩(wěn)定輸入信號?？紤]網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定 性和收斂性，通過Hopfield網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程，計算權(quán)重矩陣。
[0014] 混沌步態(tài)運動具有不規(guī)律性，且為保證快速性，期望隨機多樣的輸入信號。通過嘗 試法選取權(quán)重矩陣參數(shù)，使Hopf i e 1 d網(wǎng)絡(luò)能輸出混沌信號。
[0015] 步驟1.4中設(shè)計前期的地形檢測模塊，檢測地形情況，選擇合適的步態(tài)，然后通過 步態(tài)形狀生成模塊及轉(zhuǎn)換模塊形成相應(yīng)步態(tài)形狀，最后通過Hopfield網(wǎng)絡(luò)進行穩(wěn)定步態(tài)控 制，實現(xiàn)整個仿蛇搜救機器人步態(tài)的生成和控制。
[0016] 首先，在仿蛇搜救機器人頭部對稱布置三個Infrared Ray(IR)傳感器a，b，c，其中 b傳感器有一個垂直方向的自由度。三個傳感器分別實時采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過
丨)計算地面的 寬闊性和平坦性。如果地面不夠?qū)掗?，采用混沌步態(tài)運動。如果地面寬闊但不平坦，采用自 然步態(tài)運動。如果地面寬闊且平坦，采用輪式步態(tài)運動。
[0017] 然后，當確定好步態(tài)運動時，通過Motion Shape Code Technique(MSCT)將對應(yīng)步 態(tài)的一個周期的輸出信號輸入關(guān)節(jié)驅(qū)動器，實現(xiàn)初始運動形狀的生成。
[0018] 最后，當仿蛇搜救機器人形成指定步態(tài)時，通過Hopf ield網(wǎng)絡(luò)進行持續(xù)運動生成 和控制。期間，檢測模塊持續(xù)檢測，若地形出現(xiàn)變化，則需要變化運動步態(tài)，此時通過MSCT在 兩個運動周期中，以直線形狀為過渡形狀，實現(xiàn)機器人從一種工作步態(tài)到另一種工作步態(tài)。
[0019] 本發(fā)明是一種基于Hopf ield網(wǎng)絡(luò)的仿蛇搜救機器人多步態(tài)控制及轉(zhuǎn)換方法，與現(xiàn) 有的技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果：
[0020] 本發(fā)明設(shè)計過程明確簡單，可實現(xiàn)多步態(tài)拓展、控制以及轉(zhuǎn)換，方法具有通用性。 本發(fā)明解決了現(xiàn)有步態(tài)生成和控制方法在步態(tài)設(shè)計時沒有考慮高效運動形式的輪式運動 和在特殊地形下的混沌步態(tài)問題，大大調(diào)高了仿蛇搜救機器人步態(tài)的多樣性和執(zhí)行任務(wù)的 尚效性。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明中的蜿蜒步態(tài)及其驅(qū)動模式示意圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明中的輪式步態(tài)及其驅(qū)動模式示意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明中的混沌步態(tài)及其驅(qū)動模式示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明中的Hopfie Id網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5本發(fā)明中的基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)的仿蛇搜救機器人步態(tài)生成及控制方法流程 圖；
[0026]圖6~8是本發(fā)明中的基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)的仿蛇搜救機器人步態(tài)生成及控制信號 仿真結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0027]為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以一個帶有正交主動輪和仿生并聯(lián)關(guān)節(jié)的仿 蛇搜救機器人為研究對象對本發(fā)明的實施方式做進一步的介紹。
[0028] 1.1構(gòu)建基于高效完成任務(wù)需求的仿蛇搜救機器人的自然步態(tài)、輪式步態(tài)以及混 純步態(tài)。
[0029] 根據(jù)大多數(shù)災(zāi)害現(xiàn)場布滿或多或少、或大或小的障礙物特點，為使仿蛇搜救機器 人在較平坦地形實現(xiàn)快速運動，在不平坦地面為保護蛇體機構(gòu)而進行蛇態(tài)運動，在狹小空 間進行隨機運動要求，即仿蛇搜救機器人需要自然、輪式以及混沌三類運動模式，進而高效 完成任務(wù)