兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，具體過(guò)程為：測(cè)量機(jī)器人的腿臂位置θa和機(jī)器人速度Vc；令機(jī)器人質(zhì)心在前進(jìn)方向上的加速度ac＝K×(Vaim-Vc)，Vaim為目標(biāo)速度，K為預(yù)設(shè)參數(shù)；利用θa、Vc和ac，根據(jù)所建立的機(jī)器人在陸地和水中的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制模型，計(jì)算電機(jī)控制量ω；根據(jù)所述電機(jī)控制量ω控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在陸地或水中的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明運(yùn)用統(tǒng)一的控制器即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水陸環(huán)境中的縱向速度控制，大大簡(jiǎn)化了兩棲機(jī)器人控制算法的復(fù)雜程度，避免了兩棲機(jī)器人因進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)切換和控制算法切換帶來(lái)的時(shí)間和能源的損耗。
【專(zhuān)利說(shuō)明】?jī)蓷馨鍣C(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，特別設(shè)及一種兩棲蛙板機(jī)器人的擺 臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)器人技術(shù)中，運(yùn)動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)影響機(jī)器人的整體性能。水陸兩棲機(jī)器人 因其多變的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)需求，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法有著更高的要求。在陸地上，運(yùn)動(dòng)控制 算法主要針對(duì)機(jī)器人的縱向前進(jìn)速度和橫向的方向進(jìn)行控制；在水中時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制算法則 需要控制機(jī)器人的縱向前進(jìn)速度和水下姿態(tài)。對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制有很多控制算法，如 PID控制、模糊控制、最優(yōu)控制、魯椿控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法等。而兩棲機(jī)器人的控制難點(diǎn) 在于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的適應(yīng)性。在水陸環(huán)境轉(zhuǎn)換時(shí)，由于外部環(huán)境變化、機(jī)器人執(zhí)行機(jī) 構(gòu)切換等因素，機(jī)器人的控制算法需要進(jìn)行適應(yīng)性地改變。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，該方法可 W適應(yīng)機(jī)器人水陸運(yùn)動(dòng)的需求，使用同種控制算法即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同環(huán)境的縱向速度 控制。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] 一種兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，具體過(guò)程為：
[0006] (1)測(cè)量機(jī)器人的腿臂位置e。和機(jī)器人速度V。；
[0007] 似令機(jī)器人質(zhì)屯、在前進(jìn)方向上的加速度屯二KX (V aim-Ve)，Vaim為目標(biāo)速度，K為 預(yù)設(shè)參數(shù)；
[000引 （3)利用0 a、V。和a。，根據(jù)所建立的機(jī)器人在陸地和水中的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制模型，計(jì) 算電機(jī)控制量《，所述前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制模型如公式（1)所示；
[0009]

【權(quán)利要求】
1. 一種兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，具體過(guò)程為： (1) 測(cè)量機(jī)器人的腿臂位置0a和機(jī)器人速度V。； (2) 令機(jī)器人質(zhì)心在前進(jìn)方向上的加速度a。=KX(Vaim-V。)，Vaim為目標(biāo)速度，K為預(yù)設(shè) 參數(shù)； (3) 利用0a、V。和a。，根據(jù)所建立的機(jī)器人在陸地和水中的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制模型，計(jì)算電 機(jī)控制量w，所述前進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制模型如公式（1)所示；
其中，M為機(jī)器人質(zhì)量，P為水的密度，S1為機(jī)器人左右尾鰭的面積，La機(jī)器人腿臂長(zhǎng) 度，當(dāng)機(jī)器人在陸地前進(jìn)時(shí)，0a表示左右后輪的偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)機(jī)器人在水中前進(jìn)時(shí)，0 3表 示左右尾鰭的變形角度，S3為機(jī)器人前進(jìn)時(shí)的等效對(duì)水面積，ei，％分別為機(jī)器人腿部側(cè)面 的長(zhǎng)和寬； (4) 根據(jù)所述電機(jī)控制量《控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在陸地或水中的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，當(dāng) 機(jī)器人處于水中時(shí)，其俯仰姿態(tài)控制過(guò)程為： 5101、 測(cè)量機(jī)器人俯仰的角加速度O1和機(jī)器人速度V。； 5102、 利用《 :和V。，根據(jù)所建立的機(jī)器人在水中俯仰姿態(tài)控制的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算機(jī) 器人左右胸鰭的偏轉(zhuǎn)角度0JP0 2，其中計(jì)算時(shí)令Q1= 0 2;
其中，J1為機(jī)器人在俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0i為設(shè)定的機(jī)器人俯仰的角加速度，A為左 右胸鰭的面積，L1為機(jī)器人在水中做俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的力臂，bi，b2分別為機(jī)器人外殼前后端到 機(jī)器人質(zhì)心的距離； 5103、 根據(jù)所計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角度0:和0 2，控制機(jī)器人的俯仰運(yùn)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，當(dāng) 機(jī)器人處于水中時(shí)，其滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制過(guò)程為： 5201、 測(cè)量機(jī)器人滾轉(zhuǎn)的角加速度和機(jī)器人速度V。； 5202、 利用。，根據(jù)所建立的機(jī)器人在水中滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算機(jī) 器人左右胸鰭的偏轉(zhuǎn)角度0 2其中計(jì)算時(shí)令0 :=-0 2;
其中，J2為機(jī)器人在滾轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，e2為設(shè)定的機(jī)器人滾轉(zhuǎn)的角加速度，L2S機(jī)器人在水中做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的力臂，a為機(jī)器人頭部寬度； 5203、 根據(jù)所計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角度0:和0 2，控制機(jī)器人的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述兩棲蛙板機(jī)器人的擺臂驅(qū)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，當(dāng) 機(jī)器人處于水中，進(jìn)行俯仰和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)同時(shí)控制時(shí)： 建立的機(jī)器人在水中俯仰姿態(tài)控制的動(dòng)力學(xué)模型，
利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人水下俯仰和滾轉(zhuǎn)角的同時(shí)控制，其中所利用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 層數(shù)為2層；第一層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)為5個(gè)，對(duì)應(yīng)的輸入變量為O1, ?2，《laiD1，O2aini和V。， 第二層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為2個(gè)，對(duì)應(yīng)的輸出變量為0:和0 2;第一層和第二層傳遞函數(shù)均是 tan-sigmoid，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法選用彈性梯度下降法trainrp;具體過(guò)程為： 301、 測(cè)量機(jī)器人在俯仰和滾轉(zhuǎn)方向上的運(yùn)動(dòng)角速度《:和《 2，測(cè)量機(jī)器人前進(jìn)速度 Vc; 302、 設(shè)定機(jī)器人的目標(biāo)俯仰角速度和滾轉(zhuǎn)角速度為Olaini和《 2aini; 303、 將Q1, ?2,《laim，O2ail^PVe輸入給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)解算得到機(jī)器人左右胸鰭的偏 轉(zhuǎn)角度9 :和0 2。 S303、根據(jù)所計(jì)算的偏轉(zhuǎn)角度0:和0 2，控制機(jī)器人的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104503231SQ201410687889
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】楊毅, 程思源, 周耿, 張劍青, 汪稚力, 邱凡 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)