一种变形机器人姿态变换最佳途径的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变形机器人，尤其是一种变形移动机器人。
【背景技术】
[0002] 针对不同复杂环境的变形机器人、尤其是变形移动机器人的研宄越来越多，而且 机器人变形的姿态也越来越多。例如，一种变形移动机器人，有四条带有驱动电机的履带 (属于小腿），每条履带都通过一加长杆（属于大腿）经由两个运动关节与机器人主体相 连，其各个运动关节都采用电机驱动。通过各自围绕其关节的转动，每一条小腿和大腿都可 实现不同角度的转动变化，从而组合成变形移动机器人的多种姿态，实现其不同的行走方 式，以适应在不同环境状况时的运动需要。在变形移动机器人姿态变换中，有些姿态之间 的变换相对容易；有些姿态之间的变换相对复杂，有些甚至需要经过另一些姿态作为中间 变换姿态来实现。例如，由某姿态A到某姿态B，可能会途径A-C-B，也可能会途径A-D-F-B 变换过程；为使得的转动幅度最小，同时保证重心的偏移最小，达到机器人姿态变换的能耗 小，速度快，整个机身稳定的效果，需要确定从某姿态A到某姿态B最佳的变换途径。
[0003] 但目前针对其姿态变形的科学合理性问题，仍没有一种科学有效的解决方法。如 何设计一种变形移动机器人在姿态互变时的科学、合理的最佳变形途径，是我们必须要解 决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明针对变形移动机器人在姿态互变时的科学、合理的最佳变形途径，提出一 种基于图论的变形机器人姿态变换最佳途径的确定方法。
[0005] 一种变形机器人姿态变换最佳途径的确定方法，采取如下步骤：
[0006] 第一步，确立变形机器人各种可能的变形姿态，并为其取一个对应图论顶点的名 称代号α = 1，2, 3 ···，η)，同时，建立起表明各种姿态是否可以相互直接变换的顶点连 通图；
[0007] 第二步，确定各个顶点ViQ = 1，2, 3 ···，η)间姿态变换复杂度权值的计算方 法：
[0008] 对于可直接变换或直接连通的顶点，各顶点间姿态变换的复杂度权值由关节的运 动角度及重心的偏移量两个因素来确定；
[0009] 设变形机器人从某种姿态到另一种姿态变换时，相对于当前姿态，其4个大腿关 节转动的角度分别定义为ΘΜ，0b2，0b3, ΘΜ，对应的4个小腿关节运动角度分别定义为9S1，θΕ?，θ0，ΘΜ，机器人主体重心的水平偏移分量为 Xd，重心的垂直偏移分量为Yd，并且 取XdMax是水平方向上重心的最大偏移量，YdMax为垂直方向上重心的最大偏移量，则大腿关节 平均运动角度为：
[0010]
⑴
[0011] 同理，小腿关节平均运动角度为：
[0012]
⑵
[0013] 将变量Θ # Θ 3进行归一化处理，即使得数据处于0到1之间；归一化处理的方 法是：将所得的Θ#Ρ Θ 3数值除以360度；再将重心水平和垂直偏移分量分别除以各方向 上的最大偏移量，同时，考虑垂直方向上重心上升或下降对电机的负荷不同，设定重心上升 时Yd为正，重心下落时Y d为负，那么，重心水平偏移的复杂度权值通过
式表示，重心垂 直偏移的复杂度权值通过
式表示，式中λ是介于〇和之间的某个试验数值； 再将机身上升时的复杂度权值稍微调大，将下降时的复杂度权值稍微调小，然后将重心分 量合成为矢量Ρ，则P矢量的模可以写成：
[0014]
⑶
[0015] 然后，根据变形时0b、Θ Jpp对变形难易程度的影响和经验，确定它们各自在姿 态变换复杂度权值中所占的比重，分别用常数W1、W2、W3表示，其中w i、W2、W3符合w PwPw2的 规律，最后为了使计算机可以准确快速地处理数据，可将计算出的姿态变换的复杂度权值 放大100倍并取整，使其处于合理的整数范围内；
[0016] 这样，各种姿态之间变换的复杂度权值计算公式即可写为：
[0017]
(4)
[0018] 当机身参数一定时，就可由此获得各顶点间不同的姿态变换复杂度权值；上述的 姿态变换复杂度权值代表了机器人从一种姿态变换到另一种姿态时的难易程度，权值越 低，姿态之间的变换越容易，反之，则越难；
[0019] 对于不可直接连通顶点间的权值以无穷大符号 表示；
[0020] 第三步，建立各顶点Vi (i = 1，2, 3 ···，η)间的权值矩阵
[0021] 把第二步计算方法得出各顶点间的权值，用Wu分别表示由顶点V i直接变换到顶 点Vj时的权值，此时，会有对角线上i = j的权值W u= 0 ;据此建立一个具有i X j (此处， i = j)个元素的权值矩阵W:
[0022]
(5)
[0023] 第四步，确定权值最小的变换途径
[0024] 首先，设定V为可连通姿态变换图中所有顶点ViQ = 1，2,3· · ·，η)的集合；设 定SiS V-个动态子集,Si集合用来在遍历循环中不断地加入这样一些顶点：以某ViQ = 1，2, 3 ···，η)为起始顶点时，采用遍历方法搜索其到达当前￥-51集合中各顶点的权值之 和为最小的途径，并且用变量Best [Vj] (j = 1，2, 3 ···，η)专门记录当前可搜索到的从起 始顶点V/变换到任意一顶点^的最佳姿态变换途径的权值之和；同时用变量ROAD [V J专 门记录顶点Vj在其当前最佳姿态变换途径中对应的前一个顶点，记为ROAD[V j]= "前向顶 点"，将各个Best [Vj] (j = 1，2, 3 ···，η)相互比较后，选出具有最小权值之和的那个顶点 Va，每次，将这样一个Va放入S 1集合中；
[0025] 然后，计算权值最小的变换途径，计算过程如下：
[0026] 步骤1、初始化：确定起始顶点Vi (i = 1，2, 3 · · ·，η)，和目标顶点Vmd(end = 1，2, ·· ·，η)，将起始顶点Vi放入Si集合中，此时，Si= {VJ，并且将顶点乂1与V集合中 每个顶点之间的权值各自放入Best[Vj] (j = 1，2,3 · · ·，η)之中，作为起始顶点当前与 各顶点之间最小的权值之和，此时有，Best[Vj = Wu，同时将其各自对应的前向顶点设为起 始顶点，即 R0AD[Vj] = Vi (j = 1，2, 3 · · ·，η);
[0027] 步骤2、比较当前Si集合中起始顶点V i与当前V-S廉合中所有顶点之间的变换途 径，选出各个权值之和为最小的变换途径所对应的V-Si集合中的顶点V a，Va所对应变换途 径的权值之和应为Best [VJ ;
[0028] 若V# V end，则将顶点Va加入到当前S i集合中，表示为S i= S i U {V a};
[0029] 若 Va= V end，执行步骤 4 ;
[0030] 步骤3、计算当前51集合中起始顶点V 1途经顶点V 3时，到V-S 1集合中各个顶点 Vj(j = 1，2, 3 · · ·，n)的途径权值之和：Best[Va]+Waj，将其与原来不经过顶点Va的各个 权值之和Best [Vj]作对比，若对其中的某些顶点Vj存在：(Best [V J +Waj)〈Best [Vj]，则更新 其对应的最小权值为Best [Vj] = Best [VJ +Waj，相应更新Vj对应的前向顶点为ROAD [V」]= Va，否则都不更新；
[0031] 返回步骤2,继续执行；
[0032] 步骤4、依次记录目标顶点Vmd，及由R0AD[Vmd]开始逆向回溯的各个前向顶点，直 至R0AD[Vj]为起始顶点Vi为止，所记录途径的逆向过程，即为由起始顶点变换到目标顶点 的最佳变换途径，算法结束。
[0033] 本发明的有益效果是：
[0034] 1、当求出最佳姿态变换途径之后，控制系统就可以给变形机器人各关节的电机发 送相应的驱动命令，使得变形机器人能够按照最佳变换途径依次变换其关节转角，实现其 姿态的合理顺序变形。
[0035] 2、在变形机器人的姿态控制上引入了图论理论，将姿态变换问题转化为图论相关 问题。这样，变形机器人就可按照姿态变形复杂度权值最小原则，实现其不同姿态间的相互 转换，针对不同环境情况，可以稳定、高效、合理地实现变形机器人的姿态变换，使其具有很 好的环境适应性。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明实施例的一个变形移动机器人基本构造图；
[0037] 图2是为本发明实施例建立的顶点连通图；
[0038] 图3是本发明实施例加入权值后的顶点连通图；
[0039] 图4是本发明实施例寻找最佳路径的程序流程图；
[0040] 图5-1至5-8是本发明实施例对应的八种变形姿态示意图。
[0041] 图中：001-机身，002-大腿，003-小腿。
【具体实施方式】
[0042] 本发明实施例为一变形移动机器人，机身