摘要
仿生物蛇机器人可以在狭窄空间和复杂障碍环境中实现蜿蜒、攀爬等多模态运动形式，具有很强的环境适应性，在军事侦察和搜索救援等领域具有广阔的应用前景。精确灵活的运动控制和高效可靠的自主避障是面向蛇形机器人不同应用场景需要解决的共性关键问题。 本文以具有正交关节模块的蛇形机器人为研究对象，围绕障碍物环境中蛇形机器人的运动控制方法及自主避障策略开展研究，具体研究内容包括: 首先，开展正交关节蛇形机器人的运动分析。基于几何连杆模型对蛇形机器人进行运动学建模，得到相邻关节的几何关系，为蛇形机器人运动步态的控制奠定基础;通过蛇形曲线的离散化模型得到蛇形机器人关节角的控制函数，分析了控制参数对蛇形曲线形态的影响;根据运动步态控制函数，考虑含从动轮的各向异性摩擦特性，在WEBOTS仿真环境下实现了蜿蜒、行波及转向等二维运动步态的物理仿真;针对二维避障运动中最基本的蜿蜒运动形式，提出前向速度和步态偏移量两个运动性能评价指标，并讨论了不同控制参数对蜿蜒运动性能指标的影响规律。 其次，基于变振幅调整法实现了蛇形机器人的头部导向控制。通过引入Sigmoid函数解决了头部导向控制的运动不连贯问题，实现了对蛇形机器人头部关节的解耦;对有无头部导向控制的头部摆动幅度进行了对比分析，发现通过头部导向控制能有效降低蛇形机器人的摆动幅度，验证了所提出方法的有效性;通过前向速度和头部摆动变化量对头部导向控制效果进行定量评价，分析不同控制参数对控制效果的影响，结果表明:随关节振幅和角频率的增大，能有效地提高蛇形机器人的前向运动速度，但头部摆动变化量增大;建立面向头部导向控制效果的多目标优化模型，并运用非支配排序遗传算法进行寻优求解，得到头部导向的最优控制参数。 然后，通过将SLAM地图构建技术、A*路径规划算法与LOS导引律轨迹跟踪方法相结合，实现蛇形机器人的自主避障。运用激光雷达SLAM技术实现蛇形机器人对环境地图的构建，并利用占据栅格地图的方法管理地图;采用重规划A*算法对所构建地图进行路径规划，找到理论上的最短路径;考虑到蛇形机器人转向半径大的问题，对实际的障碍物进行膨胀处理;基于LOS导引律实现了蛇形机器人的直线路径跟踪，以确保自主避障的可靠性。在WEBOTS仿真软件中实现蛇形机器人的自主避障，验证了所提出的自主避障策略的有效性。 最后，基于自行设计的模块化正交关节蛇形机器人实体样机和控制系统,搭建了相应的实验平台，针对三种基本运动步态和头部导向问题进行了实验，验证了所提出的控制方法的有效性。 本文所提出的蛇形机器人的运动控制方法以及自主避障策略，提升了蛇形机器人的运动性能和自主避障能力，能够为面向不同应用场景下蛇形机器人的精确控制和高效避障提供理论指导和技术支撑。
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