基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法研究

蛇形机器人通过模仿生物蛇的运动方式能够实现蜿蜒运动步态，但是运动效率和环境适应性无法与生物蛇相比。其主要原因是现有蜿蜒运动控制方法不具有综合地考虑机器人动力学特性和蜿蜒运动步态特征的能力，致使蛇形机器人运动步态无法根据内部的动力学过程和外部的环境信息进行调整和适应。研究发现能量在蛇形机器人蜿蜒运动中起着重要作用，1）能量耗散反映机器人与环境的交互作用，2）能量转换描述机器人的动力学过程，3）能量分配决定诸多关节之间的协调运动，4）能量存储对应机构本体的机械特性（如弹簧柔性等）。本研究基于运动动能的观点，提出一种既包容外部环境对运动影响又包容内部机构特性对运动影响的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法- - 被动蜿蜒，着力解决如下两个关键科学问题：1）蜿蜒步态的产生机制，2）蜿蜒步态的自适应机制。希望这种基于能量的蜿蜒运动控制方法能够提高机器人的运动能力与适应能力，同时为理解蜿蜒运动机理提供一个新的途径。

蛇形机器人蜿蜒运动对环境的改变无法做出动态适应的根本原因是没有将蛇形机器人的控制问题放入到一个“环境-本体”系统中考虑，本研究从能量的角度展开研究，提出一种能够包容“环境、动力学、步态”的蜿蜒运动控制方法，使得蛇形机器人的蜿蜒运动能更接近生物蛇的运动步态。. 首先，从蛇形机器人蜿蜒运动中“能量耗散-转换-平衡”的角度去理解蜿蜒运动的机理，能量耗散描述蜿蜒运动中机器人与环境的交互作用，能量转换描述蜿蜒运动中蛇形机器人的动力学过程，能量平衡描述蜿蜒运动中机器人诸多关节之间的协调运动。用能量描述蛇形机器人蜿蜒运动过程中本体与环境之间的相互关系，具有整体性。从能量平衡过程的三个阶段能量供给、能量分配和能量转换进行蜿蜒运动性能的优化分析，有利于分阶段量化蛇形机器人蜿蜒运动的适应速度。. 然后，关于蛇形机器人协调性的研究分为两部分，一是身体形态协调性方面，通过模仿生物蛇的动态跟随特性，获得蛇形机器人身体形态的协调性；二是关节力矩协调性方面，通过对无侧滑进行动力学建模，进行力矩控制，获得蛇形机器人关节力矩之间的协调性。. 根据蜿蜒运动机理和协调性研究提出基于能量的被动蜿蜒控制方法，通过输出关节力矩控制蛇形机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小，实现蛇形机器人根据环境选择步态。根据能量平衡过程的适应速度优化分析，提出基于能量平衡的被动蜿蜒控制方法，通过实现能量的按需供给、力矩的最优分布和身体的动态跟随实现控制效率的优化从而实现了蛇形机器人被动蜿蜒运动的适应速度的优化。. 最后，在被动蜿蜒控制的基础上，利用被动蜿蜒步态的特点：头部引导运动方向，身体跟随头部运动。提出利用头部补偿力矩控制蛇形机器人的运动方向，这种方法的核心思想是：通过指数函数实现头部补偿力矩的供给能量的不对称变化，利用供给能量的不对称变化改变蛇形机器人的运动方向，同时利用指数函数的衰减作用使运动方向稳定在期望的运动方向。同时对障碍物势场进行分析，利用蛇形机器人头部引导运动方向的特点实现蛇形机器人的避障运动。. 本研究从能量这一新角度进行蜿蜒运动机理分析，利用仿生物蛇动态跟随的方法进行运动协调性研究，从被动观点这一新的步态调节方式进行蛇形机器人步态控制方法的研究，使蜿蜒运动控制方法具有整体性和动态性，使蛇形机器人蜿蜒运动的适应能力得到提高。