一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种具有柔性连杆的蛇形机器人及其仿生控制方法。

背景技术：

生物蛇的运动模式具有较高的鲁棒性、稳定性和环境适应性，其中侧向蜿蜒运动是生物蛇最典型和最高效的运动模式之一。蛇形机器人是一种以生物蛇为原型的多自由度欠驱动仿生机器人，利用关节与连杆模拟生物蛇的脊柱结构。蛇形机器人具有结构独特、控制灵活等优点，能够在狭小空间或复杂地形中实现稳定灵活地运动，因此多应用于地震、火灾等灾后搜救领域。

随着机器人机构的发展和受仿生学启发，近些年机器人的柔顺特性得到了越来越广泛的关注。为提高蛇形机器人的运动效率和性能，目前主要采用三种方式：（1）通过复杂的控制系统（如力控制系统、阻抗控制等）使刚性结构的蛇形机器人实现柔顺运动；（2）利用柔性关节（如串联弹性驱动器、变刚度驱动器等）实现蛇形机器人的柔顺运动，具有一定的被动式适应性；（3）采用全柔性机械结构设计蛇形机器人。但以上三种方法存在如下缺陷：（1）刚性结构的蛇形机器人在运动过程中的能耗较高，且实现柔顺运动和环境适应性的控制系统较为复杂；（2）柔性关节的机械结构较为复杂，较大程度地增加了蛇形机器人的造价；（3）全柔性机构的蛇形机器人控制精度较低。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种具有柔性连杆的蛇形机器人及其仿生控制方法，为克服背景技术中所提到的控制系统及机械结构复杂、能耗较高和控制精度低等技术缺陷。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的具有柔性连杆的蛇形机器人主要包含若干个串行连接的基本单元模块，基本单元模块间通过螺丝固定连接，通过添加或减少基本单元模块实现扩展蛇形机器人体型规模。

每个基本单元模块由一个柔性单元和一个驱动关节装置固定连接而成。其中柔性单元包括前半圆U形框、工字形柔性体、从动轮、后半圆U形框及弯曲传感器。所述的工字形柔性体采用橡胶材料，在其两端分别加工两个安装孔，前后半圆U形框分别与工字形柔性体两端的安装孔固定连接，前后半圆U形框的外轮廓相切，工字形柔性体在外力（基本单元模块间内力或蛇形机器人受环境外力等）的作用下，会绕其中垂线旋转。从动轮安装在后半圆U形框的旋转轴孔上，工字形柔性体的中心孔中安装弯曲传感器，实现工字形柔性体的弯曲度测量。

驱动关节装置包括数字舵机、舵机输出盘、U形摆臂和3个外框架。舵机输出盘与数字舵机通过花键和螺丝固定连接。U形摆臂与舵机输出盘固定连接，U形摆臂与下一基本单元模块的前半圆U形框固定连接，3个外框架分别安装在数字舵机除U形摆臂固定面的另外三面上，其中，与U形摆臂相对的外框架与本基本单元模块的后半圆U形框固定连接。

为实现所设计蛇形机器人的高效率、高性能运动，本发明还提出一种基于双层中枢模式发生器的仿生运动控制方法，双层中枢模式发生器分为节律发生器层和运动神经元层，分别控制蛇形机器人关节动作的相位和运动曲线，其输出的关节位置信号直接通过RS-485总线接口传送给数字舵机内部的控制单元，从而实现蛇形机器人关节间的协调动作，进而推动蛇形机器人运动，运动神经元层接收来自柔性单元的弯曲传感器的反馈信号，实时调节蛇形机器人的形态。

本发明具有以下有益效果：一、有效地降低了蛇形机器人能耗及控制系统复杂度；二、简单的柔性机械结构，使蛇形机器人具备一定被动适应性，同时降低了机器人造价；三、结合刚性机构与柔性机构，利用传感反馈实现高精度、高效率的运动控制。

附图说明

图1 蛇形机器人整体结构图；

图2 蛇形机器人基本单元模块结构图；

图3 蛇形机器人柔性单元结构图；

图4 蛇形机器人工字形柔性体及弯曲传感单元结构图；

图5 蛇形机器人驱动关节装置结构图；

图6 蛇形机器人控制系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明设计的一种具有柔性连杆的蛇形机器人，该蛇形机器人包含十个串行连接的基本单元模块1，允许通过增加或减少基本单元模块1的数量实现蛇形机器人体型规模的扩展。

参见图2所示，蛇形机器人基本单元模块1由柔性单元3和驱动关节装置2构成，柔性单元3和驱动关节装置2同样通过安装孔串行固定连接。

参见图3和图4所示，柔性单元3由前半圆U形框101、工字形柔性体102、被动轮103、后半圆U形框104、以及弯曲传感器105构成。工字形柔性体102为橡胶材料，在其两端分别加工有安装孔，前后半圆U形框分别与工字形柔性体102两端的安装孔固定连接，前半圆U形框101与后半圆U形框104外轮廓相切，保证了工字形柔性体102只能绕其中垂线旋转，并通过弯曲传感器105实时检测工字形柔性体102的弯曲角度。

参见图5所示，驱动关节装置2包括数字舵机202、舵机输出盘204、U形摆臂203和3个外框架201、205、206。舵机输出盘204与数字舵机202通过花键和螺丝固定连接。U形摆臂203与舵机输出盘204固定连接，3个外框架201、205、206分别安装在数字舵机202除U形摆臂固定面的另外三面上。U形摆臂203与下一基本单元模块的前半圆U形框101通过安装孔固定连接，安装在与U形摆臂相对的面上的外框架206与本基本单元模块的后半圆U形框104通过安装孔固定连接。

参见图6所示，针对本发明所设计的蛇形机器人，提出一种基于双层中枢模式发生器的运动控制器，该运动控制器包含节律发生器层301，运动神经元层302及PID模块303。其中PID模块303是由数字舵机202的内置控制单元提供，节律发生器层301的节律神经元模型公式如（1-1）所示，运动神经元层302的运动神经元模型公式如（1-2）所示。通过DSP F2812主控单元304实现仿生运动控制信号的计算，其输出经RS-485通信总线接口依次传送给数字舵机202。柔性单元3内的工字形柔性体102内的弯曲传感器105经由DSP F2812主控单元304的ADC检测其输出角度，将该值带入式（1-2）计算蛇形机器人的关节控制信号。

其中，参数θ_i是节律神经元的状态变量，ω_i是节律神经元的固有频率，w_ij是节律神经元间的耦合权重， Φ_i是节律神经元层301的输出信号。

其中，参数z_i是运动神经元的状态变量，y_i运动神经元的输出变量，τ是运动神经元的时间常数，α和β是运动神经元的比例常数，保持等式α=4β，y_des(Φ_i)是蛇形机器人关节控制目标函数，A_i是关节振荡幅值，x_i是关节偏移量，ξ_i表示弯曲传感器105的反馈输入。