一種變形機(jī)器人姿態(tài)變換最佳途徑的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及變形機(jī)器人，尤其是一種變形移動(dòng)機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對(duì)不同復(fù)雜環(huán)境的變形機(jī)器人、尤其是變形移動(dòng)機(jī)器人的研宄越來越多，而且 機(jī)器人變形的姿態(tài)也越來越多。例如，一種變形移動(dòng)機(jī)器人，有四條帶有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的履帶 (屬于小腿），每條履帶都通過一加長(zhǎng)桿（屬于大腿）經(jīng)由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)器人主體相 連，其各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過各自圍繞其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一條小腿和大腿都可 實(shí)現(xiàn)不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)變化，從而組合成變形移動(dòng)機(jī)器人的多種姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)其不同的行走方 式，以適應(yīng)在不同環(huán)境狀況時(shí)的運(yùn)動(dòng)需要。在變形移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)變換中，有些姿態(tài)之間 的變換相對(duì)容易；有些姿態(tài)之間的變換相對(duì)復(fù)雜，有些甚至需要經(jīng)過另一些姿態(tài)作為中間 變換姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)。例如，由某姿態(tài)A到某姿態(tài)B，可能會(huì)途徑A-C-B，也可能會(huì)途徑A-D-F-B 變換過程；為使得的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度最小，同時(shí)保證重心的偏移最小，達(dá)到機(jī)器人姿態(tài)變換的能耗 小，速度快，整個(gè)機(jī)身穩(wěn)定的效果，需要確定從某姿態(tài)A到某姿態(tài)B最佳的變換途徑。
[0003] 但目前針對(duì)其姿態(tài)變形的科學(xué)合理性問題，仍沒有一種科學(xué)有效的解決方法。如 何設(shè)計(jì)一種變形移動(dòng)機(jī)器人在姿態(tài)互變時(shí)的科學(xué)、合理的最佳變形途徑，是我們必須要解 決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)變形移動(dòng)機(jī)器人在姿態(tài)互變時(shí)的科學(xué)、合理的最佳變形途徑，提出一 種基于圖論的變形機(jī)器人姿態(tài)變換最佳途徑的確定方法。
[0005] 一種變形機(jī)器人姿態(tài)變換最佳途徑的確定方法，采取如下步驟：
[0006] 第一步，確立變形機(jī)器人各種可能的變形姿態(tài)，并為其取一個(gè)對(duì)應(yīng)圖論頂點(diǎn)的名 稱代號(hào)α = 1，2, 3 ···，η)，同時(shí)，建立起表明各種姿態(tài)是否可以相互直接變換的頂點(diǎn)連 通圖；
[0007] 第二步，確定各個(gè)頂點(diǎn)ViQ = 1，2, 3 ···，η)間姿態(tài)變換復(fù)雜度權(quán)值的計(jì)算方 法：
[0008] 對(duì)于可直接變換或直接連通的頂點(diǎn)，各頂點(diǎn)間姿態(tài)變換的復(fù)雜度權(quán)值由關(guān)節(jié)的運(yùn) 動(dòng)角度及重心的偏移量?jī)蓚€(gè)因素來確定；
[0009] 設(shè)變形機(jī)器人從某種姿態(tài)到另一種姿態(tài)變換時(shí)，相對(duì)于當(dāng)前姿態(tài)，其4個(gè)大腿關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度分別定義為ΘΜ，0b2，0b3, ΘΜ，對(duì)應(yīng)的4個(gè)小腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度分別定義為9S1，θΕ?，θ0，ΘΜ，機(jī)器人主體重心的水平偏移分量為 Xd，重心的垂直偏移分量為Yd，并且 取XdMax是水平方向上重心的最大偏移量，YdMax為垂直方向上重心的最大偏移量，則大腿關(guān)節(jié) 平均運(yùn)動(dòng)角度為：
[0010]
⑴
[0011] 同理，小腿關(guān)節(jié)平均運(yùn)動(dòng)角度為：
[0012]
⑵
[0013] 將變量Θ # Θ 3進(jìn)行歸一化處理，即使得數(shù)據(jù)處于0到1之間；歸一化處理的方 法是：將所得的Θ#Ρ Θ 3數(shù)值除以360度；再將重心水平和垂直偏移分量分別除以各方向 上的最大偏移量，同時(shí)，考慮垂直方向上重心上升或下降對(duì)電機(jī)的負(fù)荷不同，設(shè)定重心上升 時(shí)Yd為正，重心下落時(shí)Y d為負(fù)，那么，重心水平偏移的復(fù)雜度權(quán)值通過
式表示，重心垂 直偏移的復(fù)雜度權(quán)值通過
式表示，式中λ是介于〇和之間的某個(gè)試驗(yàn)數(shù)值； 再將機(jī)身上升時(shí)的復(fù)雜度權(quán)值稍微調(diào)大，將下降時(shí)的復(fù)雜度權(quán)值稍微調(diào)小，然后將重心分 量合成為矢量Ρ，則P矢量的?？梢詫懗桑?br>[0014]
⑶
[0015] 然后，根據(jù)變形時(shí)0b、Θ Jpp對(duì)變形難易程度的影響和經(jīng)驗(yàn)，確定它們各自在姿 態(tài)變換復(fù)雜度權(quán)值中所占的比重，分別用常數(shù)W1、W2、W3表示，其中w i、W2、W3符合w PwPw2的 規(guī)律，最后為了使計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確快速地處理數(shù)據(jù)，可將計(jì)算出的姿態(tài)變換的復(fù)雜度權(quán)值 放大100倍并取整，使其處于合理的整數(shù)范圍內(nèi)；
[0016] 這樣，各種姿態(tài)之間變換的復(fù)雜度權(quán)值計(jì)算公式即可寫為：
[0017]
(4)
[0018] 當(dāng)機(jī)身參數(shù)一定時(shí)，就可由此獲得各頂點(diǎn)間不同的姿態(tài)變換復(fù)雜度權(quán)值；上述的 姿態(tài)變換復(fù)雜度權(quán)值代表了機(jī)器人從一種姿態(tài)變換到另一種姿態(tài)時(shí)的難易程度，權(quán)值越 低，姿態(tài)之間的變換越容易，反之，則越難；
[0019] 對(duì)于不可直接連通頂點(diǎn)間的權(quán)值以無窮大符號(hào) 表示；
[0020] 第三步，建立各頂點(diǎn)Vi (i = 1，2, 3 ···，η)間的權(quán)值矩陣
[0021] 把第二步計(jì)算方法得出各頂點(diǎn)間的權(quán)值，用Wu分別表示由頂點(diǎn)V i直接變換到頂 點(diǎn)Vj時(shí)的權(quán)值，此時(shí)，會(huì)有對(duì)角線上i = j的權(quán)值W u= 0 ;據(jù)此建立一個(gè)具有i X j (此處， i = j)個(gè)元素的權(quán)值矩陣W:
[0022]
(5)
[0023] 第四步，確定權(quán)值最小的變換途徑
[0024] 首先，設(shè)定V為可連通姿態(tài)變換圖中所有頂點(diǎn)ViQ = 1，2,3· · ·，η)的集合；設(shè) 定SiS V-個(gè)動(dòng)態(tài)子集,Si集合用來在遍歷循環(huán)中不斷地加入這樣一些頂點(diǎn)：以某ViQ = 1，2, 3 ···，η)為起始頂點(diǎn)時(shí)，采用遍歷方法搜索其到達(dá)當(dāng)前￥-51集合中各頂點(diǎn)的權(quán)值之 和為最小的途徑，并且用變量Best [Vj] (j = 1，2, 3 ···，η)專門記錄當(dāng)前可搜索到的從起 始頂點(diǎn)V/變換到任意一頂點(diǎn)^的最佳姿態(tài)變換途徑的權(quán)值之和；同時(shí)用變量ROAD [V J專 門記錄頂點(diǎn)Vj在其當(dāng)前最佳姿態(tài)變換途徑中對(duì)應(yīng)的前一個(gè)頂點(diǎn)，記為ROAD[V j]= "前向頂 點(diǎn)"，將各個(gè)Best [Vj] (j = 1，2, 3 ···，η)相互比較后，選出具有最小權(quán)值之和的那個(gè)頂點(diǎn) Va，每次，將這樣一個(gè)Va放入S 1集合中；
[0025] 然后，計(jì)算權(quán)值最小的變換途徑，計(jì)算過程如下：
[0026] 步驟1、初始化：確定起始頂點(diǎn)Vi (i = 1，2, 3 · · ·，η)，和目標(biāo)頂點(diǎn)Vmd(end = 1，2, ·· ·，η)，將起始頂點(diǎn)Vi放入Si集合中，此時(shí)，Si= {VJ，并且將頂點(diǎn)乂1與V集合中 每個(gè)頂點(diǎn)之間的權(quán)值各自放入Best[Vj] (j = 1，2,3 · · ·，η)之中，作為起始頂點(diǎn)當(dāng)前與 各頂點(diǎn)之間最小的權(quán)值之和，此時(shí)有，Best[Vj = Wu，同時(shí)將其各自對(duì)應(yīng)的前向頂點(diǎn)設(shè)為起 始頂點(diǎn)，即 R0AD[Vj] = Vi (j = 1，2, 3 · · ·，η);
[0027] 步驟2、比較當(dāng)前Si集合中起始頂點(diǎn)V i與當(dāng)前V-S廉合中所有頂點(diǎn)之間的變換途 徑，選出各個(gè)權(quán)值之和為最小的變換途徑所對(duì)應(yīng)的V-Si集合中的頂點(diǎn)V a，Va所對(duì)應(yīng)變換途 徑的權(quán)值之和應(yīng)為Best [VJ ;
[0028] 若V# V end，則將頂點(diǎn)Va加入到當(dāng)前S i集合中，表示為S i= S i U {V a};
[0029] 若 Va= V end，執(zhí)行步驟 4 ;
[0030] 步驟3、計(jì)算當(dāng)前51集合中起始頂點(diǎn)V 1途經(jīng)頂點(diǎn)V 3時(shí)，到V-S 1集合中各個(gè)頂點(diǎn) Vj(j = 1，2, 3 · · ·，n)的途徑權(quán)值之和：Best[Va]+Waj，將其與原來不經(jīng)過頂點(diǎn)Va的各個(gè) 權(quán)值之和Best [Vj]作對(duì)比，若對(duì)其中的某些頂點(diǎn)Vj存在：(Best [V J +Waj)〈Best [Vj]，則更新 其對(duì)應(yīng)的最小權(quán)值為Best [Vj] = Best [VJ +Waj，相應(yīng)更新Vj對(duì)應(yīng)的前向頂點(diǎn)為ROAD [V」]= Va，否則都不更新；
[0031] 返回步驟2,繼續(xù)執(zhí)行；
[0032] 步驟4、依次記錄目標(biāo)頂點(diǎn)Vmd，及由R0AD[Vmd]開始逆向回溯的各個(gè)前向頂點(diǎn)，直 至R0AD[Vj]為起始頂點(diǎn)Vi為止，所記錄途徑的逆向過程，即為由起始頂點(diǎn)變換到目標(biāo)頂點(diǎn) 的最佳變換途徑，算法結(jié)束。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 1、當(dāng)求出最佳姿態(tài)變換途徑之后，控制系統(tǒng)就可以給變形機(jī)器人各關(guān)節(jié)的電機(jī)發(fā) 送相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)命令，使得變形機(jī)器人能夠按照最佳變換途徑依次變換其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)其 姿態(tài)的合理順序變形。
[0035] 2、在變形機(jī)器人的姿態(tài)控制上引入了圖論理論，將姿態(tài)變換問題轉(zhuǎn)化為圖論相關(guān) 問題。這樣，變形機(jī)器人就可按照姿態(tài)變形復(fù)雜度權(quán)值最小原則，實(shí)現(xiàn)其不同姿態(tài)間的相互 轉(zhuǎn)換，針對(duì)不同環(huán)境情況，可以穩(wěn)定、高效、合理地實(shí)現(xiàn)變形機(jī)器人的姿態(tài)變換，使其具有很 好的環(huán)境適應(yīng)性。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)變形移動(dòng)機(jī)器人基本構(gòu)造圖；
[0037] 圖2是為本發(fā)明實(shí)施例建立的頂點(diǎn)連通圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例加入權(quán)值后的頂點(diǎn)連通圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例尋找最佳路徑的程序流程圖；
[0040] 圖5-1至5-8是本發(fā)明實(shí)施例對(duì)應(yīng)的八種變形姿態(tài)示意圖。
[0041] 圖中：001-機(jī)身，002-大腿，003-小腿。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 本發(fā)明實(shí)施例為一變形移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)身