CN116512253A - 机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法、存储介质及设备，属于超冗余机器人运动规划领域。为了解决现有蛇形机器人攀爬多台阶杆柱物体容易被台阶挡住的问题，本发明将蛇形机器人的背脊曲线分为J1段、J2段、J3段，J2段和J1、J3段C²连续光滑连接；基于分段螺旋线构造蛇形机器人的分段背脊曲线，对于J2段圆柱螺旋线参数采用多项式插值，通过分段背脊曲线控制蛇形机器人运动；将分段背脊曲线随时间类似弹簧伸缩进行变进而控制蛇形机器人运动，进而跨越杆件的台阶，在多台阶的杆件表面进行移动。本发明适用于蛇形机器人运动规划领域。

Description

机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法、存储介质及设备

技术领域

本发明属于超冗余机器人运动规划领域，具体涉及机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法、存储介质及设备。

背景技术

随着蛇形机器人在管道、灾后协助救援等领域的应用，蛇形机器人适应复杂环境的运动能力显得日益重要。对于蛇形机器人杆柱物体的攀爬运动，现在多采用背脊曲线运动规划方法将整个圆柱螺旋线进行离散化生成运动步态进行翻滚爬杆运动，配合自适应控制方法能够很好地在具有恒定直径及渐变直径台阶的杆柱物体表面进行滚动攀爬。该方法的步态通过调节圆柱螺旋线直径实现整体调节蛇形机器人连杆对杆柱物体的包络直径，却无法进行机器人连杆的局部运动控制，因此针对具有多台阶的杆柱物体，机器人翻滚爬杆运动会卡在台阶处，无法前进，限制了蛇形机器人在复杂非结构环境下的运动能力。

发明内容

本发明为了解决现有蛇形机器人攀爬多台阶杆柱物体容易被台阶挡住的问题，提供了一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。

一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，包括以下步骤：

步骤一、将蛇形机器人的背脊曲线分为3段：J1段、J2段、J3段；

J1段和J3段设计为圆柱螺旋线，J1和J3段曲线的圆柱螺旋线的半径分别为r₁、r₃，节距参数分别为p₁、p₃；假设J1段参数曲线方程的参数q∈[q₀,q₁]，J3段中q∈[q₂,q₃]；

对于J2段曲线，设计成基于标准的圆柱螺旋线进行修改而成的圆柱螺旋线的变体；J2段曲线方程的参数q的取值范围为[q₁,q₂]，半径为r₂，节距参数为p_c；

J2段和J1、J3段C²连续光滑连接，对于J2段圆柱螺旋线参数r₂、p_c采用多项式插值；r₂(q)＝a₁q⁵+a₂q⁴+a₃q³+a₄q²+a₅q+a₆，其中a₁-a₆为多项式系数；r₂(q)表达式需要满足以下方程组约束

对参数p_c采用三次多项式插值，构造p_c1(q)＝b₁q³+b₂q²+b₃q+b₄和p_c2(q)＝k₁q³+k₂q²+k₃q+k₄，b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄为多项式系数；J2段的参数p_c满足如下方程：

其中，q_c为将J2段在q参数上分为两段的参数；

步骤二、基于系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆和b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄，确定J2的参数表达式为

其中x,y,z为J2段曲线在笛卡尔坐标系下参数q处的x轴,y轴,z轴坐标值；

如果q<q_c，则h₁＝b₁，h₂＝b₂，h₃＝b₃，h₄＝b₄，否则h₁＝k₁，h₂＝k₂，h₃＝k₃，h₄＝k₄；

步骤三、令背脊曲线设计满足弧长约束解出q₂，进而解出a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆和b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄的值，确定蛇形机器人的分段背脊曲线参数方程；

步骤四、将确定的分段背脊曲线进行离散化处理，进而获得爬杆步态所需的关节角；通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动。

进一步地，通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动的过程中，通过改变参数r₁、r₃和p_c的边界值p₂分别实现对分段背脊曲线J1段、J3段和J2段进行控制。

进一步地，通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动的具体过程包括以下步骤：

(1)增大r₃，对应J3段的机器人模块从圆柱上释放出；

(2)增大p₂，对应J2和J3段的机器人模块提升，J1段对应的机器人模块保持抱紧圆柱；

(3)减小r₃，对应J3段的机器人模块收缩并紧紧抱住圆柱；

(4)增大r₁，对应J1段的机器人模块从圆柱上释放出来；

(5)减小p₁，对应J1和J2段的机器人模块提升，对应J3段的机器人模块保持抱住圆柱；

(6)减小r₁，对应J1段的机器人模块收缩，最终机器人紧紧抱住整个圆柱；

步骤(1)-(6)是一个完整的爬杆步态周期，通过不断地重复以上步骤实现蛇形机器人在圆柱表面的持续移动。

进一步地，r₂(q)关于参数q的一阶导数r₂'(q)、二阶导数r₂”(q)为0。

进一步地，将J2段在q参数上分为两段的参数q_c＝(q₁+q₂)/2。

进一步地，背脊曲线满足的弧长约束，即弧长长度与蛇形机器人全长相等，每段的背脊曲线长度固定。

进一步地，当背脊曲线满足的弧长约束时，有

其中，M为J2段的弧长；x'(q),y'(q),z'(q))表示J2段曲线q处的导数，d表示微分算子。

一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。

一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.本发明通过构建分段背脊曲线控制蛇形机器人攀爬多台阶杆柱物体，解决了蛇形机器人现有方法无法攀爬跨越多台阶的问题。

2.本发明通过分段背脊曲线控制蛇形机器人运动，每段背脊曲线能够独立控制，大大提高了蛇形机器人运动的灵活性。

3.本发明能够可通过空间曲线进行构造，相对于现有参数化步态方法开发难度较低，参数设置及调节直观简单。

附图说明

图1是本发明所述方法分段背脊曲线的示意图。

图2为图1的正视图。

图3为图1的侧视图。

图4是分段背脊曲线参数调节(r₁增大)对背脊曲线形态改变效果示意图。

图5是分段背脊曲线参数调节(r₂增大)对背脊曲线形态改变效果示意图。

图6是分段背脊曲线参数调节(p₂增大)对背脊曲线形态改变效果示意图。

图7是通过分段背脊曲线参数调节控制蛇形机器人运动仿真过程图。

图8是多台阶杆件攀爬仿真过程。

图9是不连续杆件攀爬仿真过程。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式为一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，包括以下步骤：

步骤一、将蛇形机器人的背脊曲线分为3段。其中J1段和J3段设计为标准的圆柱螺旋线。其J2段用于光滑连接J1段和J3段。

其中J1和J3段曲线的圆柱螺旋线的半径分别为r₁、r₃，且设J1和J3的节距相同，因此相应的节距参数p₁＝p₃。假设J1段参数曲线方程的参数q∈[q₀,q₁]，J3段中q∈[q₂,q₃]。

对于J2段曲线，为了便于实现爬杆步态，J2段设计成具有接近圆柱螺旋线的外形(与圆柱螺旋线外形相似)，即圆柱螺旋线的变体，它基于标准的圆柱螺旋线进行修改而成(修改包含r2(q)及公式(4)中q的取值范围的修改)。J2段曲线方程的参数q的取值范围为[q₁,q₂]，半径为r₂，节距参数为p_c。

为了保证J2段和J1、J3段C²连续光滑连接，对于J2段圆柱螺旋线参数r₂、p_c采用多项式插值。假设r₂(q)＝a₁q⁵+a₂q⁴+a₃q³+a₄q²+a₅q+a₆，其中a₁-a₆为多项式系数；对r₂(q)关于参数q的一阶导数r₂'(q)、二阶导数r₂”(q)均加以约束，在J1段和J3段均需要保证圆柱螺旋线半径在一般参数q＝q₁和q＝q₂处至少二阶导数连续，考虑到J1段和J3段背脊曲线的半径r₁、r₃是与一般参数q无关的数，因此对r₂(q)关于参数q的一阶导数r₂'(q)、二阶导数r₂”(q)为0，r₂(q)表达式需要满足以下方程组约束

这里r₁、r₃和q₁为已知数，q₂为未知数。因此可以求解出q₂表示的系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆。由于J1段和J3段的节距参数p相等，为了通过控制p_c使J2段实现伸缩，本实施方式中假设q_c＝(q₁+q₂)/2，将J2段在q参数上分为两段。

J1段和J3段实际上可以设计为平面圆弧或者圆柱螺旋线，根据直径变大变小实现杆柱物体的抱紧和释放。J2段实际上可以设计为圆柱螺旋线，根据J2段轴线长度变化实现伸缩运动进而推动蛇形机器人J1段和J3段对应机器人模块移动，实现蛇形机器人整体移动。

类似地，对参数p_c采用三次多项式插值，可以构造p_c1(q)＝b₁q³+b₂q²+b₃q+b₄和p_c2(q)＝k₁q³+k₂q²+k₃q+k₄，J2段的参数p_c满足如下方程：

则同样可以求解出q₂表示的系数b₁，b₂，b₃和b₄以及k₁，k₂，k₃和k₄。

步骤二、基于系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆和b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄，确定J2的参数表达式为

其中x,y,z为J2段曲线在笛卡尔坐标系下参数q处的x轴,y轴,z轴坐标值。

如果q<q_c，则h₁＝b₁，h₂＝b₂，h₃＝b₃，h₄＝b₄，否则h₁＝k₁，h₂＝k₂，h₃＝k₃，h₄＝k₄。

步骤三、背脊曲线设计需要满足弧长约束，即弧长长度与蛇形机器人全长相等，每段的背脊曲线长度固定，因此有

其中，M为J2段的弧长；x'(q),y'(q),z'(q))表示J2段曲线q处的导数，d表示微分算子。

通过步骤一、二、三可以将蛇形机器人的分段背脊曲线参数方程确定。

步骤四、将确定的分段背脊曲线进行离散化处理，进而获得爬杆步态所需的关节角。

根据步骤三解出q₂，进而解出a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆和b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄的值。最终确定了类弹簧爬杆步态的分段背脊曲线如图1至图3所示。

当类弹簧分段背脊曲线设计完成后，采用离散化公式对类弹簧背脊曲线进行离散化处理，进而获得类弹簧爬杆步态，类弹簧爬杆步态通过类弹簧背脊曲线的变化进而控制蛇形机器人运动，即通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动。

本发明通过改变参数r₁，r₃和p_c的边界值p₂分别实现对分段背脊曲线J1段、J3段和J2段进行控制。其中通过改变参数r₁，r₂和p₂对背脊曲线的影响变化如图4-图6所示。图4-图6分别是分段背脊曲线参数r₁增大、r₂增大、p₂增大对背脊曲线形态改变效果示意图。

假设蛇形机器人初始状态是抱住圆柱的状态，通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动的具体运动过程如图7所示，其中阶段a)表示张开J3段，阶段b)表示升高J3段，阶段c)表示收缩J3段，阶段d)表示张开J1段，阶段e)表示提升J1段，阶段f)表示收缩J1段。

通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动的具体过程包括以下步骤：

(1)增大r₃，对应J3段的机器人模块从圆柱上释放出。

(2)增大p₂，对应J2和J3段的机器人模块提升，J1段对应的机器人模块保持抱紧圆柱。

(3)减小r₃，对应J3段的机器人模块收缩并紧紧抱住圆柱。

(4)增大r₁，对应J1段的机器人模块从圆柱上释放出来。

(5)减小p₁，对应J1和J2段的机器人模块提升，对应J3段的机器人模块保持抱住圆柱。

(6)减小r₁，对应J1段的机器人模块收缩，最终机器人紧紧抱住整个圆柱。

步骤(1)-(6)是一个完整的爬杆步态周期，通过不断地重复以上步骤实现蛇形机器人在圆柱表面的持续移动。同样上述步骤也可实现如图8多台阶杆件表面的攀爬、图9不连续杆件表面的攀爬。

具体实施方式二：

本实施方式为一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。

应当理解，指令包括本发明描述的任何方法对应的计算机程序产品、软件或计算机化方法；所述指令可以用于编程计算机系统，或其他电子装置。计算机存储介质可以包括其上存储有指令的可读介质，可以包括但不限于磁存储介质，光存储介质；磁光存储介质包括只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)以及闪存层，或者适合于存储电子指令的其他类型的介质。

具体实施方式三：

本实施方式为一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动设备，所述设备包括处理器和存储器，应当理解，包括本发明描述的任何包括处理器和存储器的设备，设备还可以包括其他通过信号或指令进行显示、交互、处理、控制等以及其他功能的单元、模块；

所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将蛇形机器人的背脊曲线分为3段：J1段、J2段、J3段；

J1段和J3段设计为圆柱螺旋线，J1和J3段曲线的圆柱螺旋线的半径分别为r₁、r₃，节距参数分别为p₁、p₃；假设J1段参数曲线方程的参数q∈[q₀,q₁]，J3段中q∈[q₂,q₃]；

对于J2段曲线，设计成基于标准的圆柱螺旋线进行修改而成的圆柱螺旋线的变体；J2段曲线方程的参数q的取值范围为[q₁,q₂]，半径为r₂，节距参数为p_c；

J2段和J1、J3段C²连续光滑连接，对于J2段圆柱螺旋线参数r₂、p_c采用多项式插值；r₂(q)＝a₁q⁵+a₂q⁴+a₃q³+a₄q²+a₅q+a₆，其中a₁-a₆为多项式系数；r₂(q)表达式需要满足以下方程组约束

对参数p_c采用三次多项式插值，构造p_c1(q)＝b₁q³+b₂q²+b₃q+b₄和p_c2(q)＝k₁q³+k₂q²+k₃q+k₄，b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄为多项式系数；J2段的参数p_c满足如下方程：

其中，q_c为将J2段在q参数上分为两段的参数；

步骤二、基于系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆和b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄，确定J2的参数表达式为

其中x,y,z为J2段曲线在笛卡尔坐标系下参数q处的x轴,y轴,z轴坐标值；

如果q<q_c，则h₁＝b₁，h₂＝b₂，h₃＝b₃，h₄＝b₄，否则h₁＝k₁，h₂＝k₂，h₃＝k₃，h₄＝k₄；

步骤三、令背脊曲线设计满足弧长约束解出q₂，进而解出a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆和b₁、b₂、b₃、b₄以及k₁、k₂、k₃、k₄的值，确定蛇形机器人的分段背脊曲线参数方程；

步骤四、将确定的分段背脊曲线进行离散化处理，进而获得爬杆步态所需的关节角；通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动。

2.根据权利要求1所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动的过程中，通过改变参数r₁、r₃和p_c的边界值p₂分别实现对分段背脊曲线J1段、J3段和J2段进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，通过控制背脊曲线参数的变化进而控制蛇形机器人运动的具体过程包括以下步骤：

(1)增大r₃，对应J3段的机器人模块从圆柱上释放出；

(2)增大p₂，对应J2和J3段的机器人模块提升，J1段对应的机器人模块保持抱紧圆柱；

(3)减小r₃，对应J3段的机器人模块收缩并紧紧抱住圆柱；

(4)增大r₁，对应J1段的机器人模块从圆柱上释放出来；

(5)减小p₁，对应J1和J2段的机器人模块提升，对应J3段的机器人模块保持抱住圆柱；

(6)减小r₁，对应J1段的机器人模块收缩，最终机器人紧紧抱住整个圆柱；

步骤(1)-(6)是一个完整的爬杆步态周期，通过不断地重复以上步骤实现蛇形机器人在圆柱表面的持续移动。

4.根据权利要求3所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，r₂(q)关于参数q的一阶导数r₂'(q)、二阶导数r₂”(q)为0。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，将J2段在q参数上分为两段的参数q_c＝(q₁+q₂)/2。

6.根据权利要求5所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，背脊曲线满足的弧长约束，即弧长长度与蛇形机器人全长相等，每段的背脊曲线长度固定。

7.根据权利要求6所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法，其特征在于，当背脊曲线满足的弧长约束时，有

其中，M为J2段的弧长；x'(q),y'(q),z'(q))表示J2段曲线q处的导数，d表示微分算子。

8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任意一项所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。

9.一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任意一项所述的一种机器人攀爬多台阶杆柱物体的运动方法。