蛇形机器人翻越阶跃型障碍的算法研究与仿真

李鸿昌 郝建新 赵祖智 凌浩瀚 李光辉 张璐逍 张 枫

（1、中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津300000 2、中国民航大学 基础实验中心，天津300000 3、中国民航大学 航空工程学院，天津300000）

1 概述

随着自动化技术的不断发展，机器人的应用场景越来越多[1]。我们发现自然界中的蛇类动物运动灵活，地形适应能力强，于是制造了蛇形机器人。蛇形机器人在军事、救援等诸多领域都有应用，它能代替人类前往危险、复杂的环境作业[2-7]，世界上很多国家都十分重视蛇形机器人的研究[8]。越障是蛇形机器人研究中的重要部分，现阶段的成果大多为只能翻过矮小障碍，对较高的障碍无能为力，如抬起前半截容易左右倾斜[9]。本文作者提出的新型越障方式可解决这类问题，使蛇形机器人能够翻过陡峭的阶跃型障碍，拓宽了蛇形机器人的工作范围，通过仿真实验和实物模拟验证本方法的有效性。

2 蛇形机器人结构

机器人由多个独立的驱动单元正交连接而成，每个模块由舵机提供旋转动力，而相邻模块正交链接使机器蛇可以做水平和垂直的运动。

在组合上可以实现相当于万向节的效果，但是在同一运动方向上的等效模块长度是单个模块长度的两倍。给定两个舵机不同信号能使它们达到任意的角度，就能控制机器人水平和垂直两个维度的运动，完成三维空间内的各种动作。

3 越障规划

为了使越障能够稳定的进行，我们设计以下几个动作：

3.1 盘旋抬升

蛇形机器人按图1 将身体盘起来，以螺旋方式上升高度，直至达到翻越要求。这种抬升高度的方式比较稳定，重心内敛，不易摔倒，能抬起到更高的高度。

3.2 搭上障碍顶部

在机器蛇头部高度超过障碍物顶部高度时，机器蛇按图2弯曲头部，将头部搭在障碍物顶部，并适当弯曲，勾住障碍。此时机器蛇身靠近头部部分会形成一个弯弧状，于障碍物顶端。

3.3 蠕动越障

如图3 机器蛇接下来以蠕动的形式，将蛇身弯曲部位逐渐向着机器蛇尾部方向挪移，依靠重力使得越来越长的头部越过障碍，向另一侧下落，而尾部舒展开，逐渐向上移动。

3.4 越障后着地

机器蛇按图4 头部着地之后立刻折叠成弯曲状以稳定重心，同时蠕动运动继续进行，直至整个机器蛇完全越过障碍。

图1

图2

图3

图4

4 仿真实验

4.1 建立越障控制函数

根据平面图像与其内切圆的角关系，本章节将据此建立仿生机器人蛇翻越“阶跃”型障碍的控制函数模型。如图5 所示，机器蛇的任意两连杆与圆相切，两连杆之间的夹角∠θ2等于两条半径形成的夹角∠θ1，那么存在公式（1）成立。

其中，R 为相切圆半径，C 为连杆长度，θi为连杆i-1 和连杆i 之间的夹角。

如果参数R 随时间变小，那么仿生机器蛇则向内盘旋，由此可以推出仿生蛇各水平关节角度关于时间的函数，如式（2）所示。

其中tf为盘旋终止时间，n 为总关节数，i 为关节编号。

盘旋结束后，仿生蛇将蛇头抬起，根据Serpenoid 曲线建立蠕动控制函数模型。蜿蜒曲线是在x-y 平面内，一条过原点的曲线，曲线上任意一点可以由式（3）表示。

图5 平面图像与其内切圆的角关系

图6 抬起前20 节连杆仿真结果图

将其离散化后可得俯仰关节角度关于时间的函数，如式（4）所示。

4.2 在matlab 中进行仿真实验

建立蛇形机器人由40 个连杆组合成正交结构，每根连杆长10cm，重102g，每个舵机最大摆动角度为±60°。仿真结果如图6 所示。

5 结论

自由度很高的蛇形机器人给运动路径规划和控制带来了很大的挑战，因此只从越障这一方面深入研究。从仿真结果来看，这种算法能够跨越更高的障碍，同时我们可以看到机器蛇的重心始终处于一个稳定的位置，体现本算法的可行性和优越性。