一種連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法
【專利摘要】一種連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法。其包括建立評價指標階段和跟蹤計算階段；建立評價指標階段是首先建立路徑跟蹤性能評價指標：最大誤差、平均誤差、響應(yīng)時間和控制精度；跟蹤計算階段包括建立蛇臂末端關(guān)節(jié)分點、求分點路徑坐標、建立路徑分點數(shù)組、跟蹤一個路徑關(guān)節(jié)段、判斷是否為第一關(guān)節(jié)段、求第一關(guān)節(jié)段分點距離、求分點到路徑的距離、計算最大距離值、記錄響應(yīng)時間、判斷是否完成路徑跟蹤、確定最大誤差值、確定平均誤差、確定控制精度等階段：本發(fā)明提供的連續(xù)型機器人路徑跟蹤效果評價方法能夠客觀描述跟蹤的情況，具有時間復(fù)雜度低、易于軟件實現(xiàn)的特點。
【專利說明】一種連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)型機器人是一種采用“無脊椎”柔性結(jié)構(gòu)的新型仿生機器人，具有良好的彎曲性能，可以柔順而靈活地改變自身的形狀，其優(yōu)良的彎曲特性甚至可以和蛇、象鼻子以及章魚觸角等生物器官媲美。由于連續(xù)型機器人的外形可以靈活改變，因此具有根據(jù)環(huán)境障礙物的狀況而改變自身形狀的能力，對工作空間受限的環(huán)境具有獨特的適應(yīng)能力。其應(yīng)用前景廣闊，可以應(yīng)用于飛機油箱檢查、多障礙物工業(yè)環(huán)境內(nèi)的作業(yè)、彎曲管道和塌陷建筑物內(nèi)的偵查和搜救、核電站內(nèi)部管路的維護、人體疾病的診療等場合。
[0003]連續(xù)型機器人為由多個關(guān)節(jié)段構(gòu)成的串聯(lián)機器人，其關(guān)節(jié)段具有結(jié)構(gòu)上的約束，能進行空間的彎曲和旋轉(zhuǎn)運動。在空間結(jié)構(gòu)約束很強的環(huán)境中，為避免機器人觸碰造成損傷或潛在危險，需對機器人到達目標區(qū)域的行進路徑進行規(guī)劃。路徑為由若干個類似連續(xù)型關(guān)節(jié)的曲線構(gòu)成，滿足其結(jié)構(gòu)約束，是連續(xù)型機器人到達目標區(qū)域的最終姿態(tài)。在設(shè)計跟蹤算法時，為分析和評價跟蹤效果，需要提出評價方法。而當前對于連續(xù)型機器人跟蹤效果的評價尚缺少依據(jù)。
[0004]在這種技術(shù)背景下，目前尚未發(fā)現(xiàn)針對于連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明提供的連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法包括建立評價指標階段和跟蹤計算階段；
[0007](一)建立評價指標階段
[0008]首先建立路徑跟蹤性能評價指標:最大誤差、平均誤差、響應(yīng)時間和控制精度；
[0009](二)跟蹤計算階段
[0010]在蛇臂跟蹤路徑的步進過程的每一步中，計算并記錄評價指標所需要的各項參數(shù)，在跟蹤完成后，確定評價指標的各項數(shù)值。
[0011]在建立評價指標階段中，所述的評價指標包括:
[0012]1.1)最大誤差
[0013]最大誤差是指連續(xù)型機器人蛇臂在對路徑跟蹤時蛇臂關(guān)節(jié)段與相應(yīng)路徑段的最大偏差距離；由于跟蹤路徑過程中只求解蛇臂末端關(guān)節(jié)段的關(guān)節(jié)段變量，其余關(guān)節(jié)段重復(fù)蛇臂末端關(guān)節(jié)段的運動，故蛇臂基座每次步進后，只需求解末端關(guān)節(jié)段與路徑的最大距離，這些最大距離中的最大值為最大誤差；路徑關(guān)節(jié)段數(shù)為n個，設(shè)最大距離為dmaxt (t=l, 2, 3,..., nw),最大誤差為 emax ；
[0014]1.2)平均誤差
[0015]平均誤差是指蛇臂末端關(guān)節(jié)段與路徑關(guān)節(jié)段的所有最大距離的平均值，用來衡量跟蹤過程中的平均偏差大??；設(shè)平均誤差為I，則

[0016]<img/
[0017]1.3)響應(yīng)時間
[0018]響應(yīng)時間是指每次計算出蛇臂關(guān)節(jié)段變量所需的時間，用來衡量控制算法的快速性；
[0019]1.4)控制精度
[0020]控制精度是指完成路徑跟蹤后蛇臂末端點與路徑末端點的距離；路徑是由給定需要檢測的目標點后按照路徑規(guī)劃算法產(chǎn)生的，與路徑末端點的距離即是與目標點的距離；控制精度是用來衡量到達目標點的準確程度。
[0021]所述的跟蹤計算階段的具體操作過程包括按順序執(zhí)行的如下階段:
[0022]步驟一、建立蛇臂末端關(guān)節(jié)分點的SOl階段:將蛇臂末端關(guān)節(jié)段均分為w份；
[0023]步驟二、求分點路徑坐標{BJ的S02階段:求解分點在路徑坐標系(BcJ中的坐標，記作數(shù)組 U (q) (q=l, 2,..., w)；
[0024]步驟三、建立路徑分點數(shù)組{VM}的S03階段:將路徑各關(guān)節(jié)段均分w份，分點構(gòu)成數(shù)組 V (p, q) (p=l, 2，? ? ?，n; q=l, 2,..., w)；
[0025]步驟四、跟蹤一個路徑關(guān)節(jié)段的S04階段:蛇臂前進一步，并完成跟蹤路徑的動作；即:蛇臂末端關(guān)節(jié)段跟蹤路徑一個關(guān)節(jié)段，基座第j (0 ^ j ^ w)次步進；
[0026]步驟五、判斷是否為第一關(guān)節(jié)段的S05階段:判斷當前蛇臂末端關(guān)節(jié)段的跟蹤對象是否為路徑的第一關(guān)節(jié)段，若判斷結(jié)果為“是”，則進入下一步S06階段，否則下一步進入S07階段；
[0027]步驟六、求第一關(guān)節(jié)段分點距離的S06階段:確定跟蹤路徑第一關(guān)節(jié)段時的分點距離，分別計算數(shù)組U(q)中后j個點到數(shù)組V(l，q)中所有點的距離，取最小值作為蛇臂上的點到路徑的距離，這些距離值中的最大值為此次到路徑的最大距離d_t ；
[0028]步驟七、求分點到路徑的距離的S07階段:跟蹤路徑第m關(guān)節(jié)段時(l〈m≤n)，需要計算數(shù)組U(q)中每個點到數(shù)組V(m-l，q)和V(m，q)中所有點的距離，取最小值作為該點到路徑距離的近似值，近似認為其最小值為該點到路徑的距離；
[0029]步驟八、計算最大距離值的S08階段:基座每次步進后，求出上述距離，近似認為距離最大值為末端關(guān)節(jié)段與路徑的最大距離d_t，
[0030]步驟九、記錄響應(yīng)時間的S09階段:響應(yīng)時間是指每次計算出蛇臂關(guān)節(jié)段變量所需的時間，用來衡量計算過程的快速性；
[0031]步驟十、判斷是否完成路徑跟蹤的SlO階段:判斷當前蛇臂末端是否達到路徑的末端，若判斷結(jié)果為“是”，則進入下一步Sll階段，否則下一步重新進入S04階段，繼續(xù)步進跟蹤；
[0032]步驟十一、確定最大誤差值的Sll階段:最大誤差為最大距離中的最大值；[0033]最大誤差emax為:
[0034]emax=max {dmaxl, dmax2, ? ? ?，dmaxt}
[0035]步驟十二、確定平均誤差的S12階段:平均誤差是指蛇臂末端關(guān)節(jié)段與路徑關(guān)節(jié)段的所有最大距離的平均值，用來衡量跟蹤過程中的平均偏差大小；設(shè)平均誤差為F，則
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法，其特征在于:其包括建立評價指標階段和跟蹤計算階段； (一)建立評價指標階段 首先建立路徑跟蹤性能評價指標:最大誤差、平均誤差、響應(yīng)時間和控制精度； (二)跟蹤計算階段 在蛇臂跟蹤路徑的步進過程的每一步中，計算并記錄評價指標所需要的各項參數(shù)，在跟蹤完成后，確定評價指標的各項數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法，其特征在于:在建立評價指標階段中，所述的評價指標包括: . 1.D最大誤差 最大誤差是指連續(xù)型機器人蛇臂在對路徑跟蹤時蛇臂關(guān)節(jié)段與相應(yīng)路徑段的最大偏差距離；由于跟蹤路徑過程中只求解蛇臂末端關(guān)節(jié)段的關(guān)節(jié)段變量，其余關(guān)節(jié)段重復(fù)蛇臂末端關(guān)節(jié)段的運動，故蛇臂基座每次步進后，只需求解末端關(guān)節(jié)段與路徑的最大距離，這些最大距離中的最大值為最大誤差；路徑關(guān)節(jié)段數(shù)為n個，設(shè)最大距離為Idmaxt (t=l, 2，3，…，nw),最大誤差為 emax ； . 1.2)平均誤差 平均誤差是指蛇臂末端關(guān)節(jié)段與路徑關(guān)節(jié)段的所有最大距離的平均值，用來衡量跟蹤過程中的平均偏差大??；設(shè)平均誤差為F，則

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)型機器人空間路徑跟蹤效果的評價方法，其特征在于:所述的跟蹤計算階段的具體操作過程包括按順序執(zhí)行的如下階段: 步驟一、建立蛇臂末端關(guān)節(jié)分點的SOl階段:將蛇臂末端關(guān)節(jié)段均分為w份； 步驟二、求分點路徑坐標{BJ的S02階段:求解分點在路徑坐標系(BcJ中的坐標，記作數(shù)組 U(q) (q=l, 2,..., w)； 步驟三、建立路徑分點數(shù)組{VM}的S03階段:將路徑各關(guān)節(jié)段均分w份，分點構(gòu)成數(shù)組 V (P，q) (p=l, 2，? ? ?，n; q=l, 2,..., w)； 步驟四、跟蹤一個路徑關(guān)節(jié)段的S04階段:蛇臂前進一步，并完成跟蹤路徑的動作；即:蛇臂末端關(guān)節(jié)段跟蹤路徑一個關(guān)節(jié)段，基座第j (0 ^ j ^ w)次步進； 步驟五、判斷是否為第一關(guān)節(jié)段的S05階段:判斷當前蛇臂末端關(guān)節(jié)段的跟蹤對象是否為路徑的第一關(guān)節(jié)段，若判斷結(jié)果為“是”，則進入下一步S06階段，否則下一步進入S07階段；步驟六、求第一關(guān)節(jié)段分點距離的S06階段:確定跟蹤路徑第一關(guān)節(jié)段時的分點距離，分別計算數(shù)組U(q)中后j個點到數(shù)組V(l，q)中所有點的距離，取最小值作為蛇臂上的點到路徑的距離，這些距離值中的最大值為此次到路徑的最大距離d_t ； 步驟七、求分點到路徑的距離的S07階段:跟蹤路徑第m關(guān)節(jié)段時(l〈m ( n)，需要計算數(shù)組U(q)中每個點到數(shù)組V(m-l，q)和V(m，q)中所有點的距離，取最小值作為該點到路徑距離的近似值，近似認為其最小值為該點到路徑的距離； 步驟八、計算最大距離值的S08階段:基座每次步進后，求出上述距離，近似認為距離最大值為末端關(guān)節(jié)段與路徑的最大距離Clmaxt, 步驟九、記錄響應(yīng)時間的S09階段:響應(yīng)時間是指每次計算出蛇臂關(guān)節(jié)段變量所需的時間，用來衡量計算過程的快速性； 步驟十、判斷是否完成路徑跟蹤的SlO階段:判斷當前蛇臂末端是否達到路徑的末端，若判斷結(jié)果為“是”，則進入下一步Sll階段，否則下一步重新進入S04階段，繼續(xù)步進跟蹤; 步驟十一、確定最大誤差值的Sll階段:最大誤差為最大距離中的最大值； 最大誤差e_為:

【文檔編號】G05B23/00GK103707298SQ201310663907
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】牛國臣, 高慶吉, 胡丹丹, 王力 申請人:中國民航大學(xué)