本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人，特別涉及一種模塊化仿生蛇形機(jī)器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，仿生類(lèi)機(jī)器人的研究領(lǐng)域受到社會(huì)各界的關(guān)注在不斷增加，對(duì)仿生類(lèi)領(lǐng)域的研究也不斷取得進(jìn)步，做出了一些不凡的成就。

2、蛇形仿生機(jī)器人是仿生界里一種特殊的機(jī)器人，蛇形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)肢運(yùn)動(dòng)”，具有相比有肢機(jī)器人來(lái)說(shuō)擁有更廣泛的應(yīng)用前景，能夠在環(huán)境惡劣、狹窄的縫隙和管道內(nèi)進(jìn)行代替人類(lèi)進(jìn)行作業(yè)和勘察環(huán)境，這種機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在部分生活應(yīng)用中得到了充分的證實(shí)。

3、對(duì)于蛇形機(jī)器人的研究，國(guó)外處于相對(duì)領(lǐng)先地位。我國(guó)對(duì)蛇形機(jī)器人的研究從近幾年才開(kāi)始變得火熱，一些技術(shù)領(lǐng)域相對(duì)國(guó)外仍然處于落后地位?，F(xiàn)有對(duì)仿生蛇的研究控制領(lǐng)域，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)一些蛇類(lèi)的仿生運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)形式較為單一，不能充分體現(xiàn)蛇類(lèi)的多樣性運(yùn)動(dòng)，并不能幫助人類(lèi)很好的完成部分工作。另外在目前的蛇形機(jī)器人控制方式當(dāng)中，大多采用手柄或遙控器等傳輸設(shè)備對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，需要搭配專(zhuān)門(mén)的控制器，同時(shí)若機(jī)器人的某些關(guān)節(jié)受損或者環(huán)境太過(guò)復(fù)雜，現(xiàn)有的做法一般是停止當(dāng)前作業(yè)，對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行回收，這種做法顯然會(huì)大大降低工作效率提高成本，不符合社會(huì)發(fā)展智能化、便捷化的發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種新型的蛇形仿生機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)行波運(yùn)動(dòng)、雙疊加運(yùn)動(dòng)、側(cè)行、滑行、弧形滾動(dòng)、螺旋滾動(dòng)等多種步態(tài)運(yùn)動(dòng)，并配備相關(guān)app，可在手機(jī)、平板電腦上進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以應(yīng)對(duì)多復(fù)雜環(huán)境多變的工作任務(wù)，同時(shí)針對(duì)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為受到外界環(huán)境或自身關(guān)節(jié)受損影響的情況下給出蛇形機(jī)器人一種新的控制方法。

2、模塊化仿生蛇形機(jī)器人，包括頭部關(guān)節(jié)、6個(gè)通用關(guān)節(jié)和尾端關(guān)節(jié)，頭部關(guān)節(jié)與任意一個(gè)通用關(guān)節(jié)連接，由通用關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)頭部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其余5個(gè)通用關(guān)節(jié)依次連接，尾端關(guān)節(jié)與相鄰的通用關(guān)節(jié)連接；

3、頭部關(guān)節(jié)包括頭部關(guān)節(jié)外殼和連接在頭部關(guān)節(jié)外殼右側(cè)的頭部關(guān)節(jié)凸爪；

4、通用關(guān)節(jié)包括通用關(guān)節(jié)外殼、通用關(guān)節(jié)凸爪、通用關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和通用關(guān)節(jié)舵機(jī)，通用關(guān)節(jié)外殼下端設(shè)有通用關(guān)節(jié)凸爪，通用關(guān)節(jié)外殼上端設(shè)有通用關(guān)節(jié)舵機(jī)，通用關(guān)節(jié)舵機(jī)兩側(cè)設(shè)置的通用關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輪與相鄰?fù)ㄓ藐P(guān)節(jié)的通用關(guān)節(jié)凸爪或頭部關(guān)節(jié)凸爪固定連接；

5、尾端關(guān)節(jié)包括尾端關(guān)節(jié)外殼、尾端關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和尾端關(guān)節(jié)舵機(jī)，尾端關(guān)節(jié)外殼上端設(shè)有尾端關(guān)節(jié)舵機(jī)，尾端關(guān)節(jié)舵機(jī)兩側(cè)設(shè)置的尾端關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)輪與相鄰?fù)ㄓ藐P(guān)節(jié)的通用關(guān)節(jié)凸爪固定連接；尾端關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與通用關(guān)節(jié)一致，只是比通用關(guān)節(jié)缺少通用關(guān)節(jié)凸爪；

6、頭部關(guān)節(jié)與相鄰?fù)ㄓ藐P(guān)節(jié)、相鄰兩個(gè)通用關(guān)節(jié)、通用關(guān)節(jié)與尾端關(guān)節(jié)之間采用正交方式連接，第奇數(shù)通用關(guān)節(jié)能帶動(dòng)前端的通用關(guān)節(jié)或頭部關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，第偶數(shù)通用關(guān)節(jié)能帶動(dòng)相鄰前端的第奇數(shù)通用關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，尾端關(guān)節(jié)能帶動(dòng)相鄰?fù)ㄓ藐P(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；

7、頭部關(guān)節(jié)內(nèi)安裝有供電系統(tǒng)、主控制芯片、機(jī)器人客戶(hù)端、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

8、供電系統(tǒng)包括供電電池和供電模塊，供電電池與通用關(guān)節(jié)舵機(jī)和尾端關(guān)節(jié)舵機(jī)連接；

9、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)包括app客戶(hù)端、服務(wù)端和機(jī)器人客戶(hù)端三個(gè)部分，其中app客戶(hù)端用于進(jìn)行人機(jī)交互，采用圖形化界面，app客戶(hù)端、服務(wù)端和機(jī)器人客戶(hù)端之間可以采用wifi模塊進(jìn)行通訊；

10、服務(wù)端用作承接app客戶(hù)端與機(jī)器人客戶(hù)端之間的連接，轉(zhuǎn)發(fā)接收來(lái)自客戶(hù)端的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理；

11、機(jī)器人客戶(hù)端寄存于主控制芯片，主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自服務(wù)端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析為機(jī)器人相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制指令、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，以及將機(jī)器人攝像頭模塊的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)端；

12、機(jī)器人客戶(hù)端與服務(wù)端的連接采用型號(hào)為8266wifi的wifi連接模塊，通過(guò)tcp/ip協(xié)議與服務(wù)端建立socket連接；

13、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為攝像頭模塊，攝像頭模塊與主控制芯片連接，攝像頭模塊對(duì)環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)，采用集成模塊攝像頭atk_ov5640，該攝像頭模塊內(nèi)置兩個(gè)高亮led燈，能夠使得本發(fā)明能夠在黑暗中正常感知環(huán)境正常作業(yè)。

14、一種模塊化仿生蛇形機(jī)器人控制方法，包括如下步驟：

15、步驟一，通過(guò)仿生蛇形機(jī)器人在普通運(yùn)動(dòng)模式狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，構(gòu)建一種映射表來(lái)表征運(yùn)動(dòng)動(dòng)作與參考指標(biāo)之間的關(guān)系，通過(guò)映射表受傷或者因某些特殊地形受限制的仿生蛇形機(jī)器人將進(jìn)行一些參考指標(biāo)被認(rèn)為較好的動(dòng)作，并且在進(jìn)行動(dòng)作的同時(shí)嘗試對(duì)這些動(dòng)作下的性能指標(biāo)進(jìn)行更新；

16、步驟二，根據(jù)map-elites算法思想采用一種簡(jiǎn)化版算法，在初始條件下隨機(jī)生成一組主控制芯片參數(shù)，然后將定義好的動(dòng)作執(zhí)行方案進(jìn)行性能指標(biāo)評(píng)估，并將性能指標(biāo)評(píng)估值記錄在所構(gòu)建的映射表中，如果當(dāng)前的動(dòng)作執(zhí)行方案的性能指標(biāo)優(yōu)于映射表中對(duì)應(yīng)的性能值，將替換掉當(dāng)前映射表中的性能值，并將執(zhí)行方案加入到映射表中，經(jīng)過(guò)不斷的循環(huán)更新，最終得到主控制芯片參數(shù)所構(gòu)成的行為性能映射表，該簡(jiǎn)化的行為映射表根據(jù)普通運(yùn)動(dòng)模式下的蛇形機(jī)器人建立，其中目標(biāo)函數(shù)的建立通過(guò)貝葉斯優(yōu)化來(lái)完成，貝葉斯優(yōu)化中為了均衡探索和開(kāi)發(fā)，采集函數(shù)選擇expected?improvement(ei)，ei計(jì)算公式如(3.1)所示，其中φ(·)和φ(·)分別為累計(jì)分布函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)正太分布的概率密度分布函數(shù)，μ(x)，σ(x)是根據(jù)后驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫降钠谕头讲睿琭(x+)為實(shí)際觀測(cè)值中的最大值，ε≥0為可調(diào)參數(shù)；

17、

18、通過(guò)貝葉斯優(yōu)化來(lái)根據(jù)通過(guò)已有的動(dòng)作行為參數(shù)起來(lái)的模型對(duì)下一個(gè)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行價(jià)值評(píng)定，使用采集函數(shù)決定下一個(gè)新的行為動(dòng)作對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行更新優(yōu)化，其中模型建立方式采用高斯過(guò)程來(lái)完成；

19、其中高斯過(guò)程的核心在于核函數(shù)的選取，核函數(shù)在高斯過(guò)程生成一個(gè)相關(guān)系數(shù)矩陣，衡量任意兩點(diǎn)之間的相關(guān)性距離，決定了高斯過(guò)程擬合的性能，高斯過(guò)程中的核函數(shù)選擇rbf徑向基核函數(shù)，其中徑向基函數(shù)如公式(3.3)所示，其中σ和l是高斯過(guò)程中的超參數(shù)，||xi-xj||表示行為空間中兩個(gè)行為的歐式距離貝葉斯優(yōu)化和高斯過(guò)程具體過(guò)程如圖5所示，開(kāi)始時(shí)，查看模型是否初始化，若未初始化則產(chǎn)生隨機(jī)初始化目標(biāo)點(diǎn)，若已初始化完成則，將上一輪采集函數(shù)收集到的最大值點(diǎn)集合進(jìn)行高斯過(guò)程訓(xùn)練，高斯過(guò)程訓(xùn)練結(jié)束后，查看迭代結(jié)果是否滿(mǎn)足目標(biāo)要求，若滿(mǎn)足則輸出模型訓(xùn)練結(jié)果，否則繼續(xù)進(jìn)行高斯迭代過(guò)程，直到模型訓(xùn)練結(jié)果滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

20、

21、步驟三，根據(jù)仿生蛇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式，選取奇偶關(guān)節(jié)a，θ，δ參數(shù)和關(guān)節(jié)編號(hào)n為控制參數(shù)總計(jì)共7個(gè)維度。

22、本發(fā)明的有益效果為：

23、1、本發(fā)明采用模塊化構(gòu)成，方便模塊的替換、維修，具有極簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，布線(xiàn)簡(jiǎn)約，方便量產(chǎn)；

24、2、本發(fā)明仿生蛇形機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)模式多樣，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地形場(chǎng)合，同時(shí)能夠?qū)χ車(chē)h(huán)境進(jìn)行視頻拍攝并傳輸；

25、3、本發(fā)明采用手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，通信能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，方便移動(dòng)攜帶；

26、4、本發(fā)明具有多種運(yùn)動(dòng)模式，第一種運(yùn)動(dòng)模式能夠?qū)崿F(xiàn)有效的人為開(kāi)環(huán)遙控控制，第二種運(yùn)動(dòng)模式，能夠針對(duì)復(fù)雜環(huán)境或自身關(guān)節(jié)受損而造成的運(yùn)動(dòng)性能下降做出有效的適應(yīng)，對(duì)突發(fā)性條件變化具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力；

27、5.本發(fā)明可以進(jìn)入狹小的縫隙中進(jìn)行作業(yè)，搭載攝像頭模塊可實(shí)時(shí)檢測(cè)周?chē)h(huán)境。