[发明专利]一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法

说明书

本发明公开了一种仿蛇机器人混合三维步态控制方法，仿蛇机器人混合三维步态是由平面波动、直线蠕动、侧向蜿蜒等基本运动交叉混合而生成的三维运动，其主要机理是在仿蛇机器人机体的不同部位采用不同的运动步态。不同仿蛇机器人运动由于运动机理不同而具备不同的运动特点和地形适应能力，而新型混合能够有效融合各类步态的运动特点和优势，同时弥补各单一步态的劣势，使仿蛇机器人能够同时具备多种运动步态的优势。新型混合三维步态能够扩展仿蛇机器人的运动步态种类，大大提升仿蛇机器人的运动能力，有效提高仿蛇机器人在不同环境中的灵活性与适应性。

技术领域

本发明涉及机器人研究与工程领域，具体是指一种融合现有仿蛇机器人运动步态优点的新型仿蛇机器人混合三维步态控制方法。

背景技术

灾后第一时间的现场救援至关重要，然而灾害现场环境复杂，救援人员无法进入灾害现场，给救援工作带来巨大的挑战。在战争、反恐等特种作战任务中，最快的潜入敌方阵地进行有效侦查往往能够占领信息制高点，夺取主动权，为取得作战的胜利起到至关重要的作用。而特种任务中地形复杂，给侦查任务带来了巨大风险和难以预测的阻力。因此研究能够代替人类执行灾害救援、特种任务信息侦查的机器人具有巨大的现实意义。生物蛇没有腿却可以在各种地形中自由运动，展现出超强的环境适应能力，人类以生物蛇为灵感研制了仿蛇机器人，仿蛇机器人可以模仿生物蛇的运动方式在各种环境中运动，且运动过程中隐蔽性强，这些特性使得仿蛇机器人能够在军事侦查、灾害搜集、管线巡检等领域展现出巨大的应用潜力。

目前仿蛇机器人的运动步态主要包括水平波动、直线蠕动和侧向蜿蜒，三种运动步态各有优缺点。水平波动运动依靠偏航关节的节律摆动实现前后运动，方向控制简单，能够适应于简单的平面地形，但所需运动空间较大，且对地面粗糙程度和摩擦力要求较高，在崎岖地形和面临障碍物时运动效果无法满足要求；直线蠕动运动依靠俯仰关节的节律摆动实现前后运动，控制简单、所需运动空间小，能够适应于狭窄的空间，但是其运动速度慢且运动效率低；侧向蜿蜒运动依靠偏航关节和俯仰关节的共同运动实现侧向运动，能够适用于各类地面环境，对地面的粗糙程度和摩擦力适应性较强，且运动速度快、效率高，但是运动方向不易控制且对运动空间要求较高。

能够满足人类需求的仿蛇机器人运动步态应该具备水平波动运动的可控性、直线蠕动运动的运动空间适应能力以及侧向蜿蜒运动效率，实现复杂工作环境下快速、高效的运动，然而目前尚未有充分满足以上要求的仿蛇机器人运动步态出现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供新型仿蛇机器人混合三维步态控制方法，解决目前仿蛇机器人运动步态适应能力不足、速度慢、效率低和对运动环境要求高等问题。混合三维步态具体措施是把不同运动步态在同一仿蛇机器人机体上进行融合，不同机体段进行不同的运动：对仿蛇机器人的前一段机体中对应的偏航关节输入水平波动运动控制信号，对后一段机体中对应的俯仰关节输入直线蠕动运动控制信号，则仿蛇机器人进行水平波动-直线蠕动混合运动；对仿蛇机器人的前一段机体中对应的偏航关节输入水平波动运动控制信号，对后一段机体中对应的偏航关节和俯仰关节输入侧向蜿蜒运动控制信号，仿蛇机器人进行水平波动-侧向蜿蜒混合运动；对仿蛇机器人的前一段机体中对应的俯仰关节输入直线蠕动运动控制信号，对后一段机体中对应的偏航关节和俯仰关节输入侧向蜿蜒运动控制信号，仿蛇机器人进行直线蠕动-侧向蜿蜒混合运动。新型仿蛇机器人混合三维运动步态除了具备原有单一运动步态优势以外，还可以通过多步态融合克服单一步态的劣势，通过设计相应的混合步态控制函数能够实现快速运动、自主越障和跟踪路径，使得仿蛇搜救机器人环境适应能力大幅度提升，适合执行地震、矿难搜救、管线检巡、战场情报侦查等任务。

本发明除了提出混合三维运动步态以外，还设计了相应的控制方法和运动控制函数。每种不同类型的混合三维步态均由不同的两种基础步态混合而成，在仿蛇机器人机体的不同部位进行不同的步态控制。同一种混合三维步态中基础步态的分离位置的不同和控制参数的不同会导致混合步态性能差异较大，因此本发明对于不同混合步态提出具体的控制方法，提升新型混合三维步态的性能。