一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法

本发明属于机器人结构设计及控制算法，涉及一种可重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法，该结构及方法可以提高机器人复杂环境下的适应性和鲁棒性。

背景技术：

1、蛇形机器人在灾后区域等危险环境中能够发挥重大作用，然而传统的蛇形机器人结构都是一体化的，在关节故障或受限制的情况下存在显著的缺陷。一旦机器人的部分关节发生故障，或者由于外力限制而导致某些关节无法正常运动，整个机器人可能会失去移动能力。这种情况对于蛇形机器人在灾害环境、狭窄空间或危险区域中执行任务时，可能导致严重的功能受损，甚至彻底无法完成任务。

2、基于上述问题，本专利针对传统蛇形机器人存在的关节故障或受限制而失去移动能力的问题，提出了一种创新的模块化结构和相应的控制方法。这项技术设计允许机器人在部分关节故障或受限制的情况下仍能保持高度的机动性。

技术实现思路

1、一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法具有独特的特征，其主要特征在于实现了单元模块化。每个单元关节结构包括头部和尾部两个部分，通过伺服电机进行连接；

2、所述可自重组的模块化蛇形机器人控制方法包括如下步骤；

3、s1：分离故障或受限部分；

4、s2：确定目标识别算法，获取对接目标位置信息；

5、s3：视觉传感器反馈位置信息，精准高效移动到对接目标位置；

6、s4：磁吸方式稳定连接；

7、所述步骤s1，其特征在于：

8、在部分关节发生故障或受限时，机器人的执行滚动运动，形成旋转趋势。通过在关节内部引入磁铁，产生相反的磁性极性，从而产生斥力，促使故障或受限制的部分自动分离；

9、所述步骤s2，其特征在于：

10、基于apriltag视觉基准系统开发了一套视觉算法，通过识别磁铁环中心的标签，返回固定蛇形机器人尾部相对对接蛇形机器人头部位置偏差矩阵d，如公式(1)所示；

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12、x，y，z是apriltag在相机坐标系下的坐标，f是相机的焦距，cx，cy是图像的光学中心的像素坐标，u，v是apriltag中心点在图像上的像素坐标，θc表示标签的位置方向角度，θtag是标签在相机坐标系下的朝向角度，θcamera是相机在世界坐标系下的朝向角度；

13、所述步骤s3，其特征在于：

14、s31：判断蛇形机器人是否满足机械臂运动；

15、当满足机械臂运动时执行s32-s39步骤，否则执行s310-s311步骤；

16、s32：蛇形机器人在对接过程中基座是不固定的，所以需要解决基座漂移这一重要问题。修改逆运动学方程，引入基座漂移的补偿项。由基座漂移引起末端执行器在x轴上的位移，漂移量设为dx，在y轴上的位移，漂移量设为dy，加入到逆运动学方程中；

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18、

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20、其中x-dx，y-dy，z表示末端执行器在空间中的位置坐标，β，α分别表示绕x轴、y轴和z轴的旋转角度，θ表示关节角度，ai表示单元关机长度，m表示关节数；

21、由于受限或故障部分是随机的，设两条对接蛇形机器人关节数目分别为n和m，在对接运动中，采用了差分-霍尔特(d-h)参数建模法，通过这种方法，能够计算相邻关节之间的运动转换矩阵。在对接过程中，将对接蛇形机器人n个关节看作固定基座，剩余n-n个关节看作机械臂，建立从末端坐标系到基座标系的正运动学方程。具体公式如(3)所示；

22、

23、其中，i＝1，2，3，....，n-n，，di表示单元模块偏距，αi表示转角，θi表示关节角；

24、s33：通过(3)求得每个关节齐次变换矩阵，将视为机械臂部分的n-n个关节坐标系之间的齐次变换矩阵相乘后，可以得到从机器人头部到基坐标系的齐次变换矩阵；

25、

26、s34：利用公式(4)可以求出对接蛇形机器人头部的位置向量，即齐次变换矩阵的最后一列；

27、p＝[px py pz] (5)

28、

29、

30、s35：在对接过程中通过公式(1)求出的标签位置方向的偏差角度θc，能够计算前n-n个关节到对接目标位置的齐次变换矩阵；

31、

32、s36：通过公式(9)可以求出目标位置的位置向量；

33、

34、s37：计算目标位置与当前位置的偏移δp＝p-p0，利用逆运动学方程求解关节变量，逆运动学方程如下所示；

35、

36、s38：通过使用逆雅可比矩阵，将对接蛇形机器人头部的位置偏差转化为关节角速度，从而实现机器人的控制；

37、

38、在公式(12)中，j-1是逆雅可比矩阵，表示末端笛卡尔速度；

39、s39：在笛卡尔速度合适的情况下，为了方便控制机器人移动到目标角度，使用梯度下降法，其迭代步骤为：

40、θnew＝θold一σj+f-1 (13)

41、其中，σ是学习率，j+是广义逆矩阵，θnew表示下一目标位置，θold表示当前位置；

42、s310：对接蛇形机器人进行蠕动运动，移动到目标位置

43、

44、其中θi表示关节角度，a表示振幅，w表示角频率，表示相位，t表示时间；

45、s311：对蛇头进行调整，使其能够插入到对接孔中；

46、在所述步骤s4，其特征在于：

47、对接蛇形机器人进行滚动运动，使得磁铁极性相同，产生吸力，使得两条蛇形机器人稳定连接，形成一条新的机器人，继续去执行任务。

48、一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法，其特征在于：头部由凸出对接件1-1、头部外壳1-2、1-3以及圆环形磁铁1-4组成。尾部由凹陷对接件2-1、尾部外壳2-2、2-3与相对应的环形磁铁2-4组成，中间通过伺服电机1-5连接。头部凸出对接件1-1前方圆环槽放入1-4环形磁铁，尾部凹陷对接件2-4内部同样设计环形槽放置于头部相对应的磁铁。当两条不同的蛇形机器人相互对接时，头部与尾部的环形磁铁正负极相互对应，在磁吸力的作用下能够实现蛇形机器人的主动对接，推动其实现对接功能，且对接较为牢固可靠。环形磁铁1-4与2-4的正负极关于中间对称，头部与尾部的对接件1-1、2-1前方均开有对应小孔，对接后孔位也相互对应，能够实现前后关节的通信传输。

49、一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法，其特征在于：传统的蛇形机器人结构一体化不同，此设计的机器人关节单元之间可拆卸和可重组，可通过拆解与对接组合形成不同冗余度的蛇形机器人，达到不同长度以完成任务。

技术特征：

1.一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法具有独特的特征，其主要特征在于实现了单元模块化。每个单元关节结构包括头部和尾部两个部分，通过伺服电机进行连接；

2.根据权利要求1所述的一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法，其特征在于：头部由凸出对接件1-1、头部外壳1-2、1-3以及圆环形磁铁1-4组成。尾部由凹陷对接件2-1、尾部外壳2-2、2-3与相对应的环形磁铁2-4组成，中间通过伺服电机1-5连接。头部凸出对接件1-1前方圆环槽放入1-4环形磁铁，尾部凹陷对接件2-4内部同样设计环形槽放置于头部相对应的磁铁。当两条不同的蛇形机器人相互对接时，头部与尾部的环形磁铁正负极相互对应，在磁吸力的作用下能够实现蛇形机器人的主动对接，推动其实现对接功能，且对接较为牢固可靠。环形磁铁1-4与2-4的正负极关于中间对称，头部与尾部的对接件1-1、2-1前方均开有对应小孔，对接后孔位也相互对应，能够实现前后关节的通信传输。

3.根据权利要求1所述的一种可自重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法，其特征在于：传统的蛇形机器人结构一体化不同，此设计的机器人关节单元之间可拆卸和可重组，可通过拆解与对接组合形成不同冗余度的蛇形机器人，达到不同长度以完成任务。

技术总结
本发明涉及一种可重组的模块化蛇形机器人结构及控制方法。通过设计一种可分离单元模块化结构，以应对机器人的部分关节故障或被外力限制的情况。在面对这些问题时，机器人可以通过将故障或受限制的部分分离出来，然后将其余正常的部分重新组合成一条新的机器人。本方法借助视觉引导和磁吸方式实现主动对接，使机器人能够在对接与分离之间切换。视觉引导系统通过先进的算法和传感器，实时获取环境信息，确保机器人能够准确识别目标的位置和状态。同时，采用磁吸方式作为主动对接的手段，实现模块之间的稳定连接。

技术研发人员：汪剑鸣,张恪峰,肖轩,孙玉宽
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17