山東科技大學(xué) 呂 鵬 劉 浩

基于圖論的變形移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)變換策略

山東科技大學(xué) 呂 鵬 劉 浩

【摘要】針對(duì)很多地形復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，變形移動(dòng)機(jī)器人［1］的研究越來(lái)越多，但目前針對(duì)其姿態(tài)變形問(wèn)題仍沒(méi)有一種常規(guī)有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文采用圖論方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變形移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)的變換。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法可以有效的解決變形移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)變換問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】變形移動(dòng)機(jī)器人；姿態(tài)變換；圖論

0 前言

目前，移動(dòng)機(jī)器人在所有機(jī)器人的研究中占有舉足輕重的地位，而使其適應(yīng)大多數(shù)復(fù)雜地面環(huán)境又是移動(dòng)機(jī)器人研究中的一大挑戰(zhàn)，尤其是室外移動(dòng)機(jī)器人，比如排爆機(jī)器人，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力就是其一個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

本文研究的移動(dòng)變形機(jī)器人方案示意圖如圖1所示。該移動(dòng)機(jī)器人有四條履帶。

圖1 結(jié)構(gòu)原理

每條履帶都通過(guò)一加長(zhǎng)臂和兩個(gè)關(guān)節(jié)和機(jī)器人主體相聯(lián)。通過(guò)它們，每一條履帶都可以實(shí)現(xiàn)任意角度或方向的伸展、折疊或旋轉(zhuǎn)。通過(guò)這些履帶、關(guān)節(jié)和加長(zhǎng)臂的不同的組合方式，就可以獲得機(jī)器人不同的移動(dòng)姿態(tài)和移動(dòng)方式，以適應(yīng)不同地面情況的運(yùn)動(dòng)。

1 圖論算法

將變形移動(dòng)機(jī)器人各個(gè)姿態(tài)作為圖的頂點(diǎn)，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(wèn)題。

1.1 姿態(tài)變換圖的確立

1.1.1 建立圖頂點(diǎn)與姿態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

表1 頂點(diǎn)與姿態(tài)關(guān)系表

由表1可見(jiàn)，同時(shí)考慮布線可以得出，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，或者說(shuō)需要通過(guò)另一些姿態(tài)作為中間過(guò)程，那么，假定要實(shí)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(jiǎn)單的變換方式，也就是說(shuō)要電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度要小，同時(shí)保證重心的偏移要小，從而達(dá)到機(jī)器人姿態(tài)變換的速度快，同時(shí)具有整個(gè)機(jī)身穩(wěn)定的效果。

1.1.2 確定權(quán)值

同理，小腿關(guān)節(jié)平均運(yùn)動(dòng)角度為：

再然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定各變量在權(quán)值中所占的比重，最后為了使計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確快速的處理數(shù)據(jù)，故將計(jì)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(jì)算公式：

其中：

通過(guò)編寫(xiě)計(jì)算工具，可得到所有的權(quán)值，如圖2所示：

圖2 權(quán)值計(jì)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(gè)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(fù)雜度矩陣如下：

1.2 應(yīng)用Dijkstra算法求解

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

其中，begin表示起始頂點(diǎn)，end表示結(jié)束頂點(diǎn)，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(diǎn)Va，并將頂點(diǎn)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(shí)驗(yàn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上面的算法，在PC機(jī)上進(jìn)行仿真，假設(shè)從V1（頂點(diǎn)0）到V5（頂點(diǎn)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(diǎn)0到頂點(diǎn)1，權(quán)值之和為162，變換的姿態(tài)順序?yàn)閂1（0）->V4（3）->V5（4）->V2（1），而其他的變換的權(quán)值都會(huì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)姿態(tài)的變換。

2.2 具體實(shí)驗(yàn)仿真

圖5 實(shí)驗(yàn)仿真圖

3 結(jié)論

本文利用圖論方法實(shí)現(xiàn)了變形移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)變換，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明的此方法可以有效的解決姿態(tài)變換最優(yōu)問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］張衛(wèi)鋒，樊炳輝等.新型變形移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2006（5）∶6-67.

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作者簡(jiǎn)介：

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