蛇形機器人翻越階躍型障礙的算法研究與仿真

李鴻昌 郝建新 趙祖智 凌浩瀚 李光輝 張璐逍 張 楓

（1、中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津300000 2、中國民航大學 基礎實驗中心，天津300000 3、中國民航大學 航空工程學院，天津300000）

1 概述

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人的應用場景越來越多[1]。我們發(fā)現(xiàn)自然界中的蛇類動物運動靈活，地形適應能力強，于是制造了蛇形機器人。蛇形機器人在軍事、救援等諸多領域都有應用，它能代替人類前往危險、復雜的環(huán)境作業(yè)[2-7]，世界上很多國家都十分重視蛇形機器人的研究[8]。越障是蛇形機器人研究中的重要部分，現(xiàn)階段的成果大多為只能翻過矮小障礙，對較高的障礙無能為力，如抬起前半截容易左右傾斜[9]。本文作者提出的新型越障方式可解決這類問題，使蛇形機器人能夠翻過陡峭的階躍型障礙，拓寬了蛇形機器人的工作范圍，通過仿真實驗和實物模擬驗證本方法的有效性。

2 蛇形機器人結(jié)構(gòu)

機器人由多個獨立的驅(qū)動單元正交連接而成，每個模塊由舵機提供旋轉(zhuǎn)動力，而相鄰模塊正交鏈接使機器蛇可以做水平和垂直的運動。

在組合上可以實現(xiàn)相當于萬向節(jié)的效果，但是在同一運動方向上的等效模塊長度是單個模塊長度的兩倍。給定兩個舵機不同信號能使它們達到任意的角度，就能控制機器人水平和垂直兩個維度的運動，完成三維空間內(nèi)的各種動作。

3 越障規(guī)劃

為了使越障能夠穩(wěn)定的進行，我們設計以下幾個動作：

3.1 盤旋抬升

蛇形機器人按圖1 將身體盤起來，以螺旋方式上升高度，直至達到翻越要求。這種抬升高度的方式比較穩(wěn)定，重心內(nèi)斂，不易摔倒，能抬起到更高的高度。

3.2 搭上障礙頂部

在機器蛇頭部高度超過障礙物頂部高度時，機器蛇按圖2彎曲頭部，將頭部搭在障礙物頂部，并適當彎曲，勾住障礙。此時機器蛇身靠近頭部部分會形成一個彎弧狀，于障礙物頂端。

3.3 蠕動越障

如圖3 機器蛇接下來以蠕動的形式，將蛇身彎曲部位逐漸向著機器蛇尾部方向挪移，依靠重力使得越來越長的頭部越過障礙，向另一側(cè)下落，而尾部舒展開，逐漸向上移動。

3.4 越障后著地

機器蛇按圖4 頭部著地之后立刻折疊成彎曲狀以穩(wěn)定重心，同時蠕動運動繼續(xù)進行，直至整個機器蛇完全越過障礙。

圖1

圖2

圖3

圖4

4 仿真實驗

4.1 建立越障控制函數(shù)

根據(jù)平面圖像與其內(nèi)切圓的角關系，本章節(jié)將據(jù)此建立仿生機器人蛇翻越“階躍”型障礙的控制函數(shù)模型。如圖5 所示，機器蛇的任意兩連桿與圓相切，兩連桿之間的夾角∠θ2等于兩條半徑形成的夾角∠θ1，那么存在公式（1）成立。

其中，R 為相切圓半徑，C 為連桿長度，θi為連桿i-1 和連桿i 之間的夾角。

如果參數(shù)R 隨時間變小，那么仿生機器蛇則向內(nèi)盤旋，由此可以推出仿生蛇各水平關節(jié)角度關于時間的函數(shù)，如式（2）所示。

其中tf為盤旋終止時間，n 為總關節(jié)數(shù)，i 為關節(jié)編號。

盤旋結(jié)束后，仿生蛇將蛇頭抬起，根據(jù)Serpenoid 曲線建立蠕動控制函數(shù)模型。蜿蜒曲線是在x-y 平面內(nèi)，一條過原點的曲線，曲線上任意一點可以由式（3）表示。

圖5 平面圖像與其內(nèi)切圓的角關系

圖6 抬起前20 節(jié)連桿仿真結(jié)果圖

將其離散化后可得俯仰關節(jié)角度關于時間的函數(shù)，如式（4）所示。

4.2 在matlab 中進行仿真實驗

建立蛇形機器人由40 個連桿組合成正交結(jié)構(gòu)，每根連桿長10cm，重102g，每個舵機最大擺動角度為±60°。仿真結(jié)果如圖6 所示。

5 結(jié)論

自由度很高的蛇形機器人給運動路徑規(guī)劃和控制帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此只從越障這一方面深入研究。從仿真結(jié)果來看，這種算法能夠跨越更高的障礙，同時我們可以看到機器蛇的重心始終處于一個穩(wěn)定的位置，體現(xiàn)本算法的可行性和優(yōu)越性。