本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

生物蛇的運動模式具有較高的魯棒性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，其中側(cè)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(qū)動仿生機器人，利用關(guān)節(jié)與連桿模擬生物蛇的脊柱結(jié)構(gòu)。蛇形機器人具有結(jié)構(gòu)獨特、控制靈活等優(yōu)點，能夠在狹小空間或復(fù)雜地形中實現(xiàn)穩(wěn)定靈活地運動，因此多應(yīng)用于地震、火災(zāi)等災(zāi)后搜救領(lǐng)域。

隨著機器人機構(gòu)的發(fā)展和受仿生學(xué)啟發(fā)，近些年機器人的柔順特性得到了越來越廣泛的關(guān)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(fù)雜的控制系統(tǒng)（如力控制系統(tǒng)、阻抗控制等）使剛性結(jié)構(gòu)的蛇形機器人實現(xiàn)柔順運動；（2）利用柔性關(guān)節(jié)（如串聯(lián)彈性驅(qū)動器、變剛度驅(qū)動器等）實現(xiàn)蛇形機器人的柔順運動，具有一定的被動式適應(yīng)性；（3）采用全柔性機械結(jié)構(gòu)設(shè)計蛇形機器人。但以上三種方法存在如下缺陷：（1）剛性結(jié)構(gòu)的蛇形機器人在運動過程中的能耗較高，且實現(xiàn)柔順運動和環(huán)境適應(yīng)性的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜；（2）柔性關(guān)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，較大程度地增加了蛇形機器人的造價；（3）全柔性機構(gòu)的蛇形機器人控制精度較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)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(shù)中所提到的控制系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗較高和控制精度低等技術(shù)缺陷。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)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(xiàn)擴展蛇形機器人體型規(guī)模。

每個基本單元模塊由一個柔性單元和一個驅(qū)動關(guān)節(jié)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(nèi)力或蛇形機器人受環(huán)境外力等）的作用下，會繞其中垂線旋轉(zhuǎn)。從動輪安裝在后半圓U形框的旋轉(zhuǎn)軸孔上，工字形柔性體的中心孔中安裝彎曲傳感器，實現(xiàn)工字形柔性體的彎曲度測量。

驅(qū)動關(guān)節(jié)裝置包括數(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)所設(shè)計蛇形機器人的高效率、高性能運動，本發(fā)明還提出一種基于雙層中樞模式發(fā)生器的仿生運動控制方法，雙層中樞模式發(fā)生器分為節(jié)律發(fā)生器層和運動神經(jīng)元層，分別控制蛇形機器人關(guān)節(jié)動作的相位和運動曲線，其輸出的關(guān)節(jié)位置信號直接通過RS-485總線接口傳送給數(shù)字舵機內(nèi)部的控制單元，從而實現(xiàn)蛇形機器人關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)動作，進而推動蛇形機器人運動，運動神經(jīng)元層接收來自柔性單元的彎曲傳感器的反饋信號，實時調(diào)節(jié)蛇形機器人的形態(tài)。

本發(fā)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(tǒng)復(fù)雜度；二、簡單的柔性機械結(jié)構(gòu)，使蛇形機器人具備一定被動適應(yīng)性，同時降低了機器人造價；三、結(jié)合剛性機構(gòu)與柔性機構(gòu)，利用傳感反饋實現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖；

圖2 蛇形機器人基本單元模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖3 蛇形機器人柔性單元結(jié)構(gòu)圖；

圖4 蛇形機器人工字形柔性體及彎曲傳感單元結(jié)構(gòu)圖；

圖5 蛇形機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖6 蛇形機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參見圖1所示，本發(fā)明設(shè)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(shù)量實現(xiàn)蛇形機器人體型規(guī)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(qū)動關(guān)節(jié)裝置2構(gòu)成，柔性單元3和驅(qū)動關(guān)節(jié)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(gòu)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(zhuǎn)，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(qū)動關(guān)節(jié)裝置2包括數(shù)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(shù)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(shù)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(fā)明所設(shè)計的蛇形機器人，提出一種基于雙層中樞模式發(fā)生器的運動控制器，該運動控制器包含節(jié)律發(fā)生器層301，運動神經(jīng)元層302及PID模塊303。其中PID模塊303是由數(shù)字舵機202的內(nèi)置控制單元提供，節(jié)律發(fā)生器層301的節(jié)律神經(jīng)元模型公式如（1-1）所示，運動神經(jīng)元層302的運動神經(jīng)元模型公式如（1-2）所示。通過DSP F2812主控單元304實現(xiàn)仿生運動控制信號的計算，其輸出經(jīng)RS-485通信總線接口依次傳送給數(shù)字舵機202。柔性單元3內(nèi)的工字形柔性體102內(nèi)的彎曲傳感器105經(jīng)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(guān)節(jié)控制信號。

其中，參數(shù)θ_i是節(jié)律神經(jīng)元的狀態(tài)變量，ω_i是節(jié)律神經(jīng)元的固有頻率，w_ij是節(jié)律神經(jīng)元間的耦合權(quán)重， Φ_i是節(jié)律神經(jīng)元層301的輸出信號。

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