专利名称：：一种线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种简易模块化机器人的运动步态控制方法。
背景技术：
：模块化机器人，尤其是线性结构的模块化机器人因具有组装方便，价格便宜常常用于机器人教学和科研。使用通用或者非通用的模块研究人员可以组装不同构型的机器人，如机机器毛虫，并利用它们进行运动控制，仿生等等研究。如专利号为94247368.X、03257835.0等。但是目前己知的用于模块化机器人构建的模块设计中存在如下问题多使用集中式传统控制结构，控制算法复杂，计算量大，不便进行具有仿生学研究。
发明内容为了克服已有的线性结构的机器人的控制算法复杂、计算量大、适应性差的不足，本发明提供一种控制算法简单，计算量小、适应性好的线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法，多个拼装模块以相同方向相连，将一个拼装模块的左底板与相邻拼装模块的右底板以o度旋转连接，每个拼装模块绕舵机的转轴转动，所述舵机连接用以控制舵机的转轴旋转角度的发生器，所述运动步态控制方法包括:1)、设置控制参数相邻发生器的相位差A(D，模块振幅^和周期r;2)、每个发生器的控制函数为、、^+("l)AO/e{l.』}(2)上式(2)中，Pi表示第i个拼装模块在时间t所要转到的角度，其中n为拼装模块的总数。作为优选的一种方案所述拼装模块包括左底板、右底板以及舵机，所述舵机一侧的转轴上带有舵机旋转盘，所述的拼装模块还包括舵机支撑耳片、舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片以及机构内支撑耳片；所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片分别与右底板固定连接，舵机支撑耳片与舵机一侧固定连接，机构外支撑耳片直接与右底板固定连接；所述的舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片分别与左底板固定连接，舵机旋转输出耳片套接在舵机一侧的转轴上，机构内支撑耳片顶部突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接；在空间上，所述的舵机的转轴与左底板、右底板平行，所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板垂直，所述的舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片与左底板垂直，所述的左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。本发明的技术构思为机器人采用若干相同基本模块GZ-I和少量连接附件组成。参照图1和图2，该基本模块GZ-I由2件底板(左底板，右底板)，1片舵机支撑耳片，1片舵机旋转输出耳片，1片机构外支撑耳片，1片机构内支撑耳片，1个舵机和若干连接螺钉组成。所有零件均使用铝合金机械加工制成，并阳极化处理。模块可实现一个范围在士90度之间的转动自由度。模块具有4个连接面用于与其它模块连接，分别为2个底板，舵机旋转输出盘和机构外支撑耳片。参见图3，舵机通过四组螺钉与舵机支撑耳片连接，该舵机支撑耳片和机构外支撑耳片与右底板通过4个螺钉连接，从而形成模块右单元；舵机旋转盘与舵机旋转输出耳片通过与舵机旋转盘安装连接孔适合的小螺钉相连，该耳片和机构内支撑耳片与左底板通过4个螺钉相连，从而形成模块左单元；将左单元沿模块安装轴线压入右单元的连接配合，从而快速完成模块组装。GZ-I模块可以在一维方向上自由转动，而多个模块以相同方向相连，就是一个模块的左底板与另一个模块的右底板以0度旋转连接，并且每个模块都是绕舵机的转轴转动，这样的线性结构成为Pitch型线性结构机器人(见图7)。构成Pitch型线性结构的模块化机器人的模块具有一维方向的自由度，而这些模块的自由度都在一个方向上，所以这个Pitch型线性结构机器人可以在一维方向上自由运动。GZ-I模块可以180度的转动，由于结构的对称性，设定它在-90-90度自由的转动。并且对模块的控制还具有定时的功能，因为对模块化机器人控制的过程当中，模块之间的转动有先后顺序。当然在模块化机器人连续运动的过程中，每个模块存在周期性的运动。基于上面对模块控制的考虑，提出了CenterPatternGenerator(CPG)的控制算法，它是模仿生物学当中动物的运动控制模型，中枢模式发生器，就是脊柱内可以产生节奏信号的神经网络。本文在数学上采用正弦函数发生器来模拟中枢模式发生器，而一个正弦函数发生器可以产生节奏的运动控制一个模块的转动，那么一组正弦函数发生器则可以控制一个模块化机器人的运动。每个正弦函数发生器可以用公式(1)来表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)在公式(1)中Ai是每个发生器的振幅，也表示模块可以转动的最大角度值；Ti是发生器的周期，也表示每个模块旋转一周所要的时间；Oi表示每个发生器的初始相位，同时也表示模块转动的起始角度；两个O之间的相位差可以表示两个发生器的先后顺序，Oi是发生器偏离初始状态的角度，也表示模块旋转对称的角度值；Pi表示模块在时间t所要转到的角度。这些参数具体所表示的含义也可见表1和图6:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表l根据上述参数可得出，转弯的角度一直满足(Oi-Ai，Oi+AJ，最大的旋转范围是180度，所以具有下面的关系限制IO,1+4《90。上面具体描述了控制每个模块转动的正弦函数发生器，它可以很好的控制一个的模块的转动，而控制一个模块化机器人，则需要一组参数控制机器人的每个动作，同时也需要考虑模块化机器人具体的拓扑结构，不同的结构，函数发生器之间参数的优化不一样。每一个正弦函数发生器都是由四个参数(4,z;，①,，0,)控制产生角度，如果一个六个模块的Pitch型机器人就需要24个参数来控制。这么多的控制参数显然增加控制的复杂度和难度，也显得太多，结合这个结构的连接方式具有统一性，我们对Pitch型线性结构机器人的运动提出了几点假设*所有发生器的振幅^和周期r是一样的；*所有的发生器都没有偏移量，O,=0;*所有相邻发生器的相位差都是一样的，用ACD表示；參在机器人起始端的发生器的相位值初始化为0;因此，控制pitch型线性结构机器人的参数简化为每个发生器的周期r，振幅^，以及相邻发生器之间的相位差A①，每个发生器的控制函数可以简化为如下公式(2):/eO…W(2)尸=爿sin从公式(2)我们可以看到每个发生器都在做周期性的正弦运动，并且每个正弦函数发生器的振幅和周期都是一样的，惟一的区别就是相邻的两个发生器之间相差一个相位差，所以整个机器人上的模块所处的角度状态值可以被认为是处在一个连续的正弦波上不同相位点上的值，当这个角度正弦波随着时间向一个方向传播时，这个波上的点也做周期性的正弦运动，只是相邻的两点都相差AO，这个正弦波也被称为角度波。当机器人的每个模块都在做正弦运动的时候，整个机器人的运动形状也将处于一个周期性有规则的运动状态。本发明的有益效果主要表现在控制算法简单，计算量小、适应性好。图1是本发明的拼装机器人的拼装模块的结构图。图2是图1的反面示意图。图3是拼装模块在装配前的结构示意图。图4是拼装模块安装配合轴线示意图。图5是拼装模块安装配合完成后的示意图。图6是正弦函数发生器的参数所表达的内容示意图。图7是Pitch型模块化机器人的示意图。图8是Pitch型线性结构模块化机器人的拼装模块的角度波形图。图9是Pitch型线性结构机器人在t时刻的形状波形图。图10是两个拼装模块组成的P-P型线性结构模块化机器人的示意图。具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。i参照图1图5，一种线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法，多个拼装模块以相同方向相连，将一个拼装模块的左底板与相邻拼装模块的右底板以0度旋转连接，每个拼装模块绕舵机的转轴转动，所述舵机的转轴连接用以控制舵机的转轴旋转角度的发生器，所述运动步态控制方法包括1)、设置控制参数相邻发生器的相位差AO，模块振幅^和周期r;2)、每个发生器的控制函数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>上式(2)中，Pi表示第i个拼装模块在时间t所要转到的角度，其中n为拼装模块的总数。模块化机器人包括多块拼装模块，即GZ-I模块、用于控制舵机动作的算法中枢模式发生器、控制卡，拼装模块(见图1，2)包括左底板1、右底板4以及舵机6，所述舵机6—侧的转轴上带有舵机旋转盘7，所述的拼装模块还包括舵机支撑耳片5、舵机旋转输出耳片8、机构外支撑耳片3以及机构内支撑耳片2;所述舵机支撑耳片5、机构外支撑耳片3分别与右底板4固定连接，舵机支撑耳片5与舵机6—侧固定连接，机构外支撑耳片3直接与右底板4固定连接；所述的舵机旋转输出耳片8、机构内支撑耳片2分别与左底板1固定连接，舵机旋转输出耳片8套接在舵机6—侧的转轴上，机构内支撑耳片2顶部突起转轴与机构外支撑耳片3上的配合孔套接；在空间上，所述的舵机6的转轴与左底板1、右底板4平行，所述舵机支撑耳片5、机构外支撑耳片3与右底板4垂直，所述的舵机旋转输出耳片8、机构内支撑耳片2与左底板1垂直。所述的左底板1、右底板4上设有与另外的拼装模块配合的安装孔，所述的中枢模式发生器通过控制卡与各个拼装模块的舵机连接。所述的左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。所述的舵机旋转输出盘和机构外支撑耳片上设有与另外的拼装模块配合的安装孔。其中一个GZ-I模块的左底板与相邻模块的右底板连接。本实施例的GZ-I模块可以在一维方向上自由转动，而多个模块以相同方向相连，就是一个模块的左底板与另一个模块的右底板以0度旋转连接，并且每个模块都是绕舵机的转轴转动，这样的线性结构成为Pitch型线性结构机器人。Pitch型线性结构的机器人是由多个模块链式连接而成，所以机器人的运动由所有模块之间协调的转动来实现的。上面已经介绍过控制每个模块转动的是一个正弦函数发生器，而一个正弦函数发生器又是由四个参数(^,7;，0),,0,)控制产生角度，如果一个六个模块的Pitch型机器人就需要24个参数来控制。这么多的控制参数显然增加控制的复杂度和难度，也显得太多，结合这个结构的连接方式具有统一性，我们对Pitch型线性结构机器人的运动提出了几点假设*所有发生器的振幅^和周期r是一样的；*所有的发生器都没有偏移量，O,=0;*所有相邻发生器的相位差都是一样的，用A(D表示；*在机器人起始端的发生器的相位值初始化为0;所以控制pitch型线性结构机器人的参数简化为每个发生器的周期r，振幅^f，以及相邻发生器之间的相位差A①，每个发生器的控制函数可以简化为如下公式(2):P=jsin^+(卜l)A(D/e{l,』}(2)r」从公式(2)我们可以看到每个发生器都在做周期性的正弦运动，并且每个正弦函数发生器的振幅和周期都是一样的，惟一的区别就是相邻的两个发生器之间相差一个相位差，所以整个机器人上的模块所处的角度状态值可以被认为是处在一个连续的正弦波上不同相位点上的值，当这个角度正弦波随着时间向一个方向传播时，这个波上的点也做周期性的正弦运动，只是相邻的两点都相差A(D，这个正弦波也被称为角度波，其角度波形可以如图8所示。当机器人的每个模块都在做正弦运动的时候，整个机器人的运动形状也将处于一个周期性有规则的运动状态，而机器人的运动形状直接决定了它的运动原理，接下来具体考察pitch型结构的机器人在t时刻的运动形状，以及和模块角度波之间的关系。图9中，每个黑点代表每个模块的转轴点，在t时刻每个模块的转动角度对应于图9中t时刻角度波上相应模块的角度，随着每个角度做周期性的正弦运动，该机器人的形状也会生成相应的正弦波，当该Pitch型线性结构机器人的身体做波形运动的时候，就产生了向前运动或向后运动的动力，所以控制公式(2)中的参数就可以实现机器人的波形运动。Pitch型线性结构的模块化机器人只有一维方向的运动，所以它唯一的运动步态就是前后正弦爬行。控制它爬行的控制参数就是A(D，模块振幅^和周期r，周期r控制模块的转动速度，当然也就控制机器人的爬行速度；而模块振幅J控制模块转动的最大角，也就控制机器人形状波形的振幅，模块振幅^值越大，形状波形的振幅的也越大；相位差A①可以控制形状波形的大小，当A①小一点的时候，构成一个形状波形的模块数就多，构成的波形就大，相反形成的形状波形就比较小，此外A(D还可以控制机器人的爬行方向，向前爬行或向后爬行。向前爬行和在向后爬行在原理上是一样的，基本上以A0480度为分界线，所以具体对向前方向的爬行步态进行分析，以六个模块构成的Pitch型线性连接的机器人为例，设定4=45,1=20时，它可以在厶0"80，160}的范围内正常的向前爬行，通过实验，发现当AO-120的时候爬行速度最快，而当^"30,60}时，形状波形较好。反方向爬行的原理与向前爬行一样，只是M)在原来的基础上取负，也就是当△0^200,280}的时候，该机器人就会朝反方向爬行。12参照图10，Pitch型线性结构的机器人它需要多个模块连接构成，模块越多形状波形也越光滑，运动也越流畅；但是它也存在最小的结构，就是由两个模块构成。尽管这两个模块不能构成一个完整的波形，但是还是以一小段波形的形式向前移动，只是在前进过程中，会出现间断性的前进。具体示意图见图10，它描述了在一个周期内向前移动的过程，其中(A(D=120)。运动步态这个P-P结构的机器人也可以向前或向后运动，并且只有这两个运动。在向前或向后的运动过程中，他们都有一个运动区间。通过实验得出如下结论当两个模块的相位差AO"100,170)的时候，P-P型两模块结构的机器人向前运动；当M)"190,250i的时候，机器人就向后运动。权利要求1、一种线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法，其特征在于多个拼装模块以相同方向相连，将一个拼装模块的左底板与相邻拼装模块的右底板以0度旋转连接，每个拼装模块绕舵机的转轴转动，所述舵机连接用以控制舵机转轴旋转角度的发生器，所述运动步态控制方法包括1)、设置控制参数相邻发生器的相位差ΔΦ，模块振幅A和周期T；2)、每个发生器的控制函数为上式(2)中，Pi表示第i个拼装模块在时间t所要转到的角度，其中n为拼装模块的总数。2、如权利要求1所述的线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法，其特征在于所述拼装模块包括左底板、右底板以及舵机，所述舵机一侧的转轴上带有舵机旋转盘，所述的拼装模块还包括舵机支撑耳片、舵机旋转输出耳片、机构外支撑耳片以及机构内支撑耳片；所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片分别与右底板固定连接，舵机支撑耳片与舵机一侧固定连接，机构外支撑耳片直接与右底板固定连接；所述的舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片分别与左底板固定连接，舵机旋转输出耳片套接在舵机一侧的转轴上，机构内支撑耳片顶部突起转轴与机构外支撑耳片上的配合孔套接；在空间上，所述的舵机的转轴与左底板、右底板平行，所述舵机支撑耳片、机构外支撑耳片与右底板垂直，所述的舵机旋转输出耳片、机构内支撑耳片与左底板垂直，所述的左底板、右底板上设有与另外的拼装模块配合的安装孔,全文摘要一种线性结构的模块化机器人的运动步态控制方法，多个拼装模块以相同方向相连，将一个拼装模块的左底板与相邻拼装模块的右底板以0度旋转连接，每个拼装模块绕舵机的转轴转动，所述舵机连接用以控制舵机的转轴旋转角度的发生器，所述运动步态控制方法包括1)设置控制参数相邻发生器的相位差ΔΦ，模块振幅A和周期T；2)每个发生器的控制函数为P<sub>i</sub>＝Asin((2π/T)t+(i-1)ΔΦ)i∈{1…n}(2)；上式(2)中，P<sub>i</sub>表示第i个拼装模块在时间t所要转到的角度，其中n为拼装模块的总数。本发明控制算法简单，计算量小、适应性好。文档编号G09B25/02GK101499222SQ20091009598公开日2009年8月5日申请日期2009年2月26日优先权日2009年2月26日发明者张厚祥,方银锋,勇李,陈胜勇申请人:浙江工业大学