基于圖論的變形移動機器人姿態(tài)變換策略

山東科技大學 呂 鵬 劉 浩

基于圖論的變形移動機器人姿態(tài)變換策略

山東科技大學 呂 鵬 劉 浩

【摘要】針對很多地形復雜的應用場合，變形移動機器人［1］的研究越來越多，但目前針對其姿態(tài)變形問題仍沒有一種常規(guī)有效的方法來實現(xiàn)，本文采用圖論方法來實現(xiàn)變形移動機器人姿態(tài)的變換。通過實際實驗驗證了該算法可以有效的解決變形移動機器人的姿態(tài)變換問題。

【關鍵詞】變形移動機器人；姿態(tài)變換；圖論

0 前言

目前，移動機器人在所有機器人的研究中占有舉足輕重的地位，而使其適應大多數(shù)復雜地面環(huán)境又是移動機器人研究中的一大挑戰(zhàn)，尤其是室外移動機器人，比如排爆機器人，對復雜環(huán)境的適應能力就是其一個技術(shù)指標。

本文研究的移動變形機器人方案示意圖如圖1所示。該移動機器人有四條履帶。

圖1 結(jié)構(gòu)原理

每條履帶都通過一加長臂和兩個關節(jié)和機器人主體相聯(lián)。通過它們，每一條履帶都可以實現(xiàn)任意角度或方向的伸展、折疊或旋轉(zhuǎn)。通過這些履帶、關節(jié)和加長臂的不同的組合方式，就可以獲得機器人不同的移動姿態(tài)和移動方式，以適應不同地面情況的運動。

1 圖論算法

將變形移動機器人各個姿態(tài)作為圖的頂點，姿態(tài)之間的變換作為路徑，那么任意姿態(tài)之間的變換就變成了圖論中的最短路徑的求解問題。

1.1 姿態(tài)變換圖的確立

1.1.1 建立圖頂點與姿態(tài)的對應關系表

表1 頂點與姿態(tài)關系表

由表1可見，同時考慮布線可以得出，有些姿態(tài)之間的變換相對容易，有些姿態(tài)之間的變換相對復雜，或者說需要通過另一些姿態(tài)作為中間過程，那么，假定要實現(xiàn)姿態(tài)A到姿態(tài)B之間的變換，就需要獲取從姿態(tài)A到姿態(tài)B最簡單的變換方式，也就是說要電機的轉(zhuǎn)動幅度要小，同時保證重心的偏移要小，從而達到機器人姿態(tài)變換的速度快，同時具有整個機身穩(wěn)定的效果。

1.1.2 確定權(quán)值

同理，小腿關節(jié)平均運動角度為：

再然后根據(jù)經(jīng)驗確定各變量在權(quán)值中所占的比重，最后為了使計算機可以準確快速的處理數(shù)據(jù)，故將計算出的權(quán)值放大100倍，使其處于合理的整數(shù)范圍內(nèi)。

從而可以確定權(quán)值計算公式：

其中：

通過編寫計算工具，可得到所有的權(quán)值，如圖2所示：

圖2 權(quán)值計算

1.1.3 建立姿態(tài)變換圖及其矩陣

基于以上考慮，建立整個姿態(tài)變換圖，如圖3所示：

圖3 姿態(tài)變換圖

由上圖建立變換復雜度矩陣如下：

1.2 應用Dijkstra算法求解

（1）初始化頂點，將頂點與姿態(tài)變化函數(shù)關聯(lián)，建立如下結(jié)構(gòu)體：

其中，begin表示起始頂點，end表示結(jié)束頂點，pNodeFun指向由姿態(tài)begin到姿態(tài)end的變換函數(shù)。

（3）從V-S集合中，選取姿態(tài)變換最佳的姿態(tài)即頂點Va，并將頂點Va加入到S中。

（5）若S集合同V集合相等，則已找到最佳變換方式，否則返回第（2）步。

（6）調(diào)用姿態(tài)變換函數(shù)執(zhí)行姿態(tài)變換。

具體程序流程圖如圖3所示：

圖3 程序流程圖

2 實驗

2.1 仿真實驗

為了驗證上面的算法，在PC機上進行仿真，假設從V1（頂點0）到V5（頂點4），輸出結(jié)果如圖4所示：

圖4 輸出結(jié)果圖

可以看出由頂點0到頂點1，權(quán)值之和為162，變換的姿態(tài)順序為V1（0）->V4（3）->V5（4）->V2（1），而其他的變換的權(quán)值都會大于162，比如變換V1（0）->V4（3）->V5（4）->V8（7）->V2（1）的權(quán)值之和為171。調(diào)用的姿態(tài)變換函數(shù)分別為one_four（），four_five（）以及five_two（），從而可以實現(xiàn)整個姿態(tài)的變換。

2.2 具體實驗仿真

圖5 實驗仿真圖

3 結(jié)論

本文利用圖論方法實現(xiàn)了變形移動機器人的姿態(tài)變換，通過實驗證明的此方法可以有效的解決姿態(tài)變換最優(yōu)問題，并且實現(xiàn)簡單，具有很好的實用價值。

參考文獻

［1］張衛(wèi)鋒，樊炳輝等.新型變形移動機器人結(jié)構(gòu)設計和分析［J］.現(xiàn)代機械，2006（5）∶6-67.

［2］熊有倫.機器人學［M］.北京∶機械工業(yè)出版社，1993∶54-55.

［3］馬金猛，李小凡等.地面移動機器人越障動力學建模與分析［J］.機器人，2008（3）∶ 273-278.

［4］范路橋，姚錫凡等.排爆機器人的研究現(xiàn)狀及其關鍵技術(shù)［J］.機床與液壓，2008（6）∶139-143.

作者簡介：

呂鵬（1990—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事機器人技術(shù)的研究。