一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106737626A(43)申请公布日2017.05.31(21)申请号201611192311.8(22)申请日2016.12.21(71)申请人南京工程学院地址211167江苏省南京市江宁科学园弘景大道1号(72)发明人乔贵方张腾飞温秀兰崔俊宇王东霞(74)专利代理机构江苏圣典律师事务所32237代理人邓丽王伟(51)Int.Cl.B25J9/06(2006.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书2页说明书3页附图4页(54)发明名称一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法(57)摘要本发明涉及一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法。所述蛇形机器人主要包括若干个基本单元模块，能够通过增减基本单元模块实现蛇形机器人体型规模调整，每个基本单元模块由一个柔性单元和一个驱动关节装置两部分构成。其中柔性单元包括前半圆U形框、工字形柔性体、从动轮、后半圆U形框及弯曲传感器。驱动关节装置包括数字舵机、舵机输出盘、U形摆臂和3个外框架。本发明还针对所设计的蛇形机器人，提出了一种基于双层中枢模式发生器的仿生运动控制方法。本发明有效地降低了蛇形机器人能耗及控制系统复杂度，简单地结合刚性机构与柔性机构，使蛇形机器人具备被动的环境适应性，并利用弯曲传感器实现高效率的运动控制。CN106737626ACN106737626A权利要求书1/2页1.一种具有柔性连杆的蛇形机器人，其特征在于，由若干个串行连接的基本单元模块组成，各基本单元模块之间通过螺丝固定连接；所述基本单元模块由一个柔性单元和一个驱动关节装置固定连接而成。2.根据权利要求1所述的具有柔性连杆的蛇形机器人，其特征在于，所述柔性单元包括前半圆U形框、工字形柔性体、从动轮、后半圆U形框及弯曲传感器；所述工字形柔性体的两端分别加工有安装孔，所述前后半圆U形框分别与所述工字形柔性体两端的安装孔固定连接，所述前后半圆U形框的外轮廓相切，工字形柔性体在外力作用下，绕其中垂线旋转；所述从动轮安装在后半圆U形框的旋转轴孔上；所述工字形柔性体的中心孔中安装有弯曲传感器。3.根据权利要求2所述的具有柔性连杆的蛇形机器人，其特征在于，所述的工字形柔性体采用橡胶材料。4.根据权利要求2所述的具有柔性连杆的蛇形机器人，其特征在于，所述驱动关节装置包括数字舵机、舵机输出盘、U形摆臂和3个外框架；所述舵机输出盘与数字舵机固定连接，U形摆臂与舵机输出盘固定连接；所述U形摆臂与下一基本单元模块的前半圆U形框固定连接；所述3个外框架分别安装在数字舵机除U形摆臂固定面的另外三面上，安装在与U形摆臂相对面上的外框架与本基本单元模块的后半圆U形框固定连接。5.根据权利要求4所述的具有柔性连杆的蛇形机器人，其特征在于，所述舵机输出盘与数字舵机通过花键和螺丝固定连接。6.根据权利要求4所述的具有柔性连杆的蛇形机器人，其特征在于，所述U形摆臂和外框架上均设有安装孔。7.一种权利要求4-6任一项所述的蛇形机器人的仿生控制方法，其特征在于，基于双层中枢模式发生器，包括节律发生器层，运动神经元层及PID模块；所述节律发生器层和运动神经元层分别控制蛇形机器人关节动作的相位和运动曲线；所述PID模块由数字舵机的内置控制单元提供。8.根据权利要求7所述的蛇形机器人的仿生控制方法，其特征在于，所述节律发生器层的神经元模型公式如（1-1）所示：其中，参数θi是节律神经元的状态变量，ωi是节律神经元的固有频率，wij是节律神经元间的耦合权重，Φi是节律神经元层的输出信号；所述运动神经元层的神经元模型公式如（1-2）所示：其中，参数zi是运动神经元的状态变量，yi运动神经元的输出变量，τ是运动神经元的时2CN106737626A权利要求书2/2页间常数，α和β是运动神经元的比例常数，保持等式α=4β，ydes(Φi)是蛇形机器人关节控制目标函数，Ai是关节振荡幅值，xi是关节偏移量，ξi表示弯曲传感器的反馈输入。9.根据权利要求8所述的蛇形机器人的仿生控制方法，其特征在于，DSPF2812主控单元实现仿生运动控制信号的计算，经RS-485通信总线接口依次传送给数字舵机；柔性单元内的弯曲传感器经由DSPF2812主控单元的ADC检测其输出角度，将该值带入式（1-2）计算蛇形机器人的关节控制信号。3CN106737626A说明书1/3页一种具有柔性连杆的蛇形机器人及仿生控制方法技术领域[0001]本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种具有柔性连杆的蛇形机器人及其仿生控制方法。背景技术[0002]生物蛇的运动模式具有较高的鲁棒性、稳定性和环境适应性，其中侧向蜿蜒运动是生物蛇最典型和最高效的运动模式之一。蛇形机器人是一种以生物蛇为原型的多自由度欠驱动仿生机器人，利用关