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機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對不同復(fù)雜環(huán)境的變形機(jī)器人、尤其是變形移動機(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，一種變形移動機(jī)器人，有四條帶有驅(qū)動電機(jī)的履帶 (屬于小腿），每條履帶都通過一加長桿（屬于大腿）經(jīng)由兩個運動關(guān)節(jié)與機(jī)器人主體相 連，其各個運動關(guān)節(jié)都采用電機(jī)驅(qū)動。通過各自圍繞其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，每一條小腿和大腿都可 實現(xiàn)不同角度的轉(zhuǎn)動變化，從而組合成變形移動機(jī)器人的多種姿態(tài)，實現(xiàn)其不同的行走方 式，以適應(yīng)在不同環(huán)境狀況時的運動需要。在變形移動機(jī)器人姿態(tài)變換中，有些姿態(tài)之間 的變換相對容易；有些姿態(tài)之間的變換相對復(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)來實現(xiàn)。例如，由某姿態(tài)A到某姿態(tài)B，可能會途徑A-C-B，也可能會途徑A-D-F-B 變換過程；為使得的轉(zhuǎn)動幅度最小，同時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)計一種變形移動機(jī)器人在姿態(tài)互變時的科學(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)明針對變形移動機(jī)器人在姿態(tài)互變時的科學(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)，并為其取一個對應(yīng)圖論頂點的名 稱代號α = 1，2, 3 ···，η)，同時，建立起表明各種姿態(tài)是否可以相互直接變換的頂點連 通圖；
[0007] 第二步，確定各個頂點ViQ = 1，2, 3 ···，η)間姿態(tài)變換復(fù)雜度權(quán)值的計算方 法：
[0008] 對于可直接變換或直接連通的頂點，各頂點間姿態(tài)變換的復(fù)雜度權(quán)值由關(guān)節(jié)的運 動角度及重心的偏移量兩個因素來確定；
[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，相對于當(dāng)前姿態(tài)，其4個大腿關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動的角度分別定義為ΘΜ，0b2，0b3, ΘΜ，對應(yīng)的4個小腿關(guān)節(jié)運動角度分別定義為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) 平均運動角度為：
[0010]
⑴
[0011] 同理，小腿關(guān)節(jié)平均運動角度為：
[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，考慮垂直方向上重心上升或下降對電機(jī)的負(fù)荷不同，設(shè)定重心上升 時Yd為正，重心下落時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試驗數(shù)值； 再將機(jī)身上升時的復(fù)雜度權(quán)值稍微調(diào)大，將下降時的復(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0b、Θ Jpp對變形難易程度的影響和經(jīng)驗，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，最后為了使計算機(jī)可以準(zhǔn)確快速地處理數(shù)據(jù)，可將計算出的姿態(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)值計算公式即可寫為：
[0017]
(4)
[0018] 當(dāng)機(jī)身參數(shù)一定時，就可由此獲得各頂點間不同的姿態(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] 對于不可直接連通頂點間的權(quán)值以無窮大符號 表示；
[0020] 第三步，建立各頂點Vi (i = 1，2, 3 ···，η)間的權(quán)值矩陣
[0021] 把第二步計算方法得出各頂點間的權(quán)值，用Wu分別表示由頂點V i直接變換到頂 點Vj時的權(quán)值，此時，會有對角線上i = j的權(quán)值W u= 0 ;據(jù)此建立一個具有i X j (此處， i = j)個元素的權(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ViQ = 1，2,3· · ·，η)的集合；設(shè) 定SiS V-個動態(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：以某ViQ = 1，2, 3 ···，η)為起始頂點時，采用遍歷方法搜索其到達(dá)當(dāng)前￥-51集合中各頂點的權(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V/變換到任意一頂點^的最佳姿態(tài)變換途徑的權(quán)值之和；同時用變量ROAD [V J專 門記錄頂點Vj在其當(dāng)前最佳姿態(tài)變換途徑中對應(yīng)的前一個頂點，記為ROAD[V j]= "前向頂 點"，將各個Best [Vj] (j = 1，2, 3 ···，η)相互比較后，選出具有最小權(quán)值之和的那個頂點 Va，每次，將這樣一個Va放入S 1集合中；
[0025] 然后，計算權(quán)值最小的變換途徑，計算過程如下：
[0026] 步驟1、初始化：確定起始頂點Vi (i = 1，2, 3 · · ·，η)，和目標(biāo)頂點Vmd(end = 1，2, ·· ·，η)，將起始頂點Vi放入Si集合中，此時，Si= {VJ，并且將頂點乂1與V集合中 每個頂點之間的權(quán)值各自放入Best[Vj] (j = 1，2,3 · · ·，η)之中，作為起始頂點當(dāng)前與 各頂點之間最小的權(quán)值之和，此時有，Best[Vj = Wu，同時將其各自對應(yīng)的前向頂點設(shè)為起 始頂點，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V i與當(dāng)前V-S廉合中所有頂點之間的變換途 徑，選出各個權(quán)值之和為最小的變換途徑所對應(yīng)的V-Si集合中的頂點V a，Va所對應(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、計算當(dāng)前51集合中起始頂點V 1途經(jīng)頂點V 3時，到V-S 1集合中各個頂點 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Va的各個 權(quán)值之和Best [Vj]作對比，若對其中的某些頂點Vj存在：(Best [V J +Waj)〈Best [Vj]，則更新 其對應(yīng)的最小權(quán)值為Best [Vj] = Best [VJ +Waj，相應(yīng)更新Vj對應(yīng)的前向頂點為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Vmd，及由R0AD[Vmd]開始逆向回溯的各個前向頂點，直 至R0AD[Vj]為起始頂點Vi為止，所記錄途徑的逆向過程，即為由起始頂點變換到目標(biāo)頂點 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，實現(xiàn)其不同姿態(tài)間的相互 轉(zhuǎn)換，針對不同環(huán)境情況，可以穩(wěn)定、高效、合理地實現(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)明實施例的一個變形移動機(jī)器人基本構(gòu)造圖；
[0037] 圖2是為本發(fā)明實施例建立的頂點連通圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明實施例加入權(quán)值后的頂點連通圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明實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)明實施例對應(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。
【具體實施方式】
[0042] 本發(fā)明實施例為一變形移動機(jī)器人，機(jī)身