能摆荡抓握远距离桁架杆的攀爬桁架机器人及其控制方法与流程

本发明涉及一种攀爬桁架机器人及其控制方法。

背景技术

攀爬桁架机器人是一种典型的非连续介质内的移动机器人，其应用环境不仅包括桥梁、楼宇等建筑物内的刚性桁架结构，还可用于由缆绳、锁链等搭结而成的柔性桁架(网络)结构，甚至也可被应用于自然生长的树木枝杈等非结构化复杂环境内。攀爬桁架机器人本身不包含欠驱动关节，但受重力影响，该机器人的手爪与圆形截面的桁架杆之间可以相对转动，成为了一个欠驱动关节，因此构成了一个欠驱动系统。攀爬桁架机器人的移动方式仿生于灵长类动物(猿猴)在树枝间的摆荡和抓握树枝运动，以一个手爪握住桁架杆作为支撑手，另一游动手爪在机器人欠驱动关节和主动关节相耦合的摆荡运动作用下摆向并抓握另一桁架杆，如此反复实现在非连续的桁架结构内的快速、连续移动。

日本名古屋大学福田敏男教授于1996年研制了具有一个主动关节的两杆仿生猴子机器人，成功模仿了荡树枝的移动方式，但由于所研制的仿生猴子机器人不具备腕关节，移动过程中该机器人对游动手爪位置的主动调节能力不足，且其钩形手爪无任何驱动能力，导致支撑手处欠驱动关节的运动不确定性难以消除，故该机器人很难保证抓杆的稳定性，荡树枝移动实验中经常抓杆失败并需要重新摆荡励振。

公开日为2009年5月20日，公开号为cn101434268，专利号为zl200810209775.4的发明专利提供了一种地面移动及空间析架攀爬两用双臂手移动机器人。文中所述的机器人具有10个自由度、对称设置于中部台板上的两个第一视觉传感器、以及分别设置于左右手爪上的两个第二视觉传感器，并在左右手爪上分别设计了抓握机构和轮式移动机构，使得文中所述的机器人不仅能在具有不同断面形状和大小的桁架杆空间内灵活移动，还能以较小的能耗在地面上移动。但文中没有给出抓握圆形截面桁架杆时的摆荡抓杆控制方法。

公开日为2013年10月2日，公开号为cn103332233a，专利号为zl201310288965.0的发明专利提供了一种三自由度攀爬桁架机器人及其大阻尼欠驱动控制方法。文中所述的机器人手爪上具有摩擦轮退转反馈机构，能够测量抓握圆形桁架杆时形成的欠驱动关节的转角，此转角在文中所述的控制方法中被用于摆荡和抓杆时其它主动关节的目标轨迹计算，使所述的机器人能够完成在圆形截面桁架杆组成的桁架结构内的摆荡抓杆运动。但所述的三自由度攀爬桁架机器人及其大阻尼欠驱动控制方法还停留在理论与仿真研究阶段，没有进行实验环境下的测试与验证，且控制方法中没有给出连续移动对应的控制方法。

此外，国内外其他学者在已发表的期刊、会议论文中也对灵长类仿生机器人的励振与抓杆运动进行了深入的研究，但现有的机器人及其控制方法存在以下问题：使用单一的视觉或惯性测量装置对欠驱动关节的运动状态进行反馈，未考虑单一传感器无法在实际环境中适应所有的复杂工况的问题；多数未考虑欠驱动关节的运动不确定性对抓杆可靠性的影响，实验过程中会发生抓杆失败的情况需要进行多次励振；励振时未考虑欠驱动关节阻尼的影响，使励振速度较慢或无法达到较大的摆动范围。

综上，现有专利、学术论文中存在的问题与不足可总结为：现有攀爬桁架机器人的手爪运动状态反馈测量方法尚不完善，且大多数手爪设计无法满足可靠抓握不同尺寸、截面形状的桁架杆的要求；现有攀爬桁架机器人及其控制方法缺乏摆荡抓杆运动可靠性方面的有效实验数据，故所设计的机器人及给出的控制方法的有效性尚不能完全确定；现有的欠驱动攀爬桁架机器人的励振控制方法受欠驱动关节阻尼影响大，在工况恶劣(自由回转时阻尼较大)的情况下摆幅上升较慢，并可能出现最终摆幅较低的问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有桁架攀爬机器人无法可靠抓握较远桁架杆和无法在桁架结构内进行连续移动的问题，进而提供了一种能摆荡抓握远距离桁架杆的攀爬桁架机器人及其控制方法。

本发明的目的是在三自由度大阻尼欠驱动攀爬桁架机器人及其控制方法(公开号cn103332233a，专利号zl201310288965.0)的基础上，提供具有与桁架杆间更大摩擦阻尼和更精确的自身运动状态反馈的开合手爪，提供使机器人能够克服欠驱动关节摩擦并摆荡到达抓握远距离(距离在机器人机构伸展长度的50％以上)目标桁架杆所需摆幅的励振控制方法，并提供能够可靠抓握远距离目标桁架杆的摆荡抓杆用分阶段大阻尼欠驱动控制方法，以解决现有的攀爬桁架机器人及其摆荡抓杆运动控制方法无法实现远距离圆形截面桁架杆抓握或抓握成功率不高的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种能摆荡抓握远距离桁架杆的攀爬桁架机器人，所述攀爬桁架机器人包括第一手爪、第一腕关节、第一连接杆、肘关节、第二连接杆、第二腕关节和第二手爪；第一手爪通过第一腕关节与第一连接杆的一端转动连接，第一连接杆的另一端通过肘关节与第二连接杆的一端转动连接，第二手爪通过第二腕关节与第二连接杆的另一端转动连接；第一手爪和第二手爪的结构相同；第一手爪由定半爪、摩擦轮退转反馈机构、动爪滑轨、滚珠丝杆、手爪机架、连接法兰、伺服电动机编码器、直流伺服电动机、伺服电动机减速机、主动齿轮、从动齿轮、动爪滑块、陀螺仪、动半爪、螺母组成；伺服电动机编码器、直流伺服电动机、伺服电动机减速机三者依次安装在一起，主动齿轮固定在伺服电动机减速机的输出轴上，从动齿轮与主动齿轮啮合并固定于滚珠丝杆的轴端，滚珠丝杆由轴承在手爪机架上定位，滚珠丝杆上套装的螺母通过动爪滑块和动半爪固连，动半爪和定半爪的外侧面上一一对应装有陀螺仪和摩擦轮退转反馈机构，摩擦轮退转反馈机构的摩擦轮通过两侧的弹簧压紧于桁架杆上，定半爪、动爪滑轨和伺服电动机减速机均固定在手爪机架上，手爪机架上还设有连接法兰，通过连接法兰可将手爪与第一腕关节或第二腕关节的末端法兰连接。

进一步地，所述第一手爪还包括定爪衬套、动爪衬套，动半爪和定半爪内侧的矩形槽中一一对应装有动爪衬套和定爪衬套。

进一步地，所述第一手爪还包括摩擦材料层，动爪衬套和定爪衬套内侧的半圆槽中贴有摩擦材料层。

当所要抓握的桁架杆为圆形截面的桁架杆时，所设计的开合手爪可在定半爪和动半爪中分别装入定爪衬套和动爪衬套，并且可根据桁架杆的材料和表面粗糙程度选择不同的摩擦材料；对于如角钢、方钢、槽钢、工字钢等截面形状具有90°棱角的桁架杆，可拆去定爪衬套和动爪衬套，使用定半爪和动半爪内侧的矩形槽进行抓握；定半爪、动半爪内侧的矩形凹槽和定爪衬套、动爪衬套内侧的半圆形凹槽均按系列化设计，如此可抓握不同尺寸的桁架杆。

进一步地，所述攀爬桁架机器人还包括由上位机和第一手爪、第一腕关节、肘关节、第二腕关节、第二手爪的伺服控制/驱动器组成的控制系统，五个伺服控制/驱动器与第一手爪的直流伺服电动机、第一腕关节的直流伺服电动机、肘关节的直流伺服电动机、第二腕关节的直流伺服电动机、第二手爪的直流伺服电动机一一对应；上位机通过usb接口与驱动和控制第一手爪中直流伺服电动机的主节点伺服控制/驱动器通讯，主节点伺服控制/驱动器通过can总线与另外四个伺服控制/驱动器通讯；摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪与上位机通过串口进行通讯，上位机将含有主动关节的目标位置的控制指令通过usb接口发送给主节点伺服控制/驱动器，主节点伺服控制/驱动器将收到的控制指令通过can总线发送给相应的伺服控制/驱动器。

在所述控制系统中，上位机可在pci插槽上加装一块can-pci板卡，通过此板卡直接与所有的伺服控制/驱动器进行通讯；在上位机使用can-pci板卡的情况下，上位机按伺服控制/驱动器的节点号依次发送运动指令，直接与各伺服控制/驱动器进行数据交换；所有伺服控制/驱动器受到控制指令后按can总线内部的同步信号进行同步，并对各自的直流伺服电机进行位置或力矩控制。

一种上述攀爬桁架机器人的控制方法，所述方法的实现过程包括：

欠驱动关节运动状态生成的过程：根据由串口获得的摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪的反馈数据，上位机生成欠驱动关节的运动状态反馈的步骤如下：

步骤一、按照固定的采样周期ts通过上位机串口对摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪进行数据读取，并将获得二进制数转换为十进制数，由摩擦轮退转反馈机构得到的光电编码器转角为θ，由陀螺仪得到的手爪转动角速度为ω；

步骤二、只考虑摩擦轮退转反馈机构的反馈数据θ计算欠驱动关节转角θ1f和角速度ω1f；用if表示摩擦轮退转反馈机构的减速比，则根据转角θ计算的θ1f如式(1)所示；

θ1f＝θ/if(1)

以θ1f⁽ⁿ⁾表示第n个采样周期算得的θ1f，则在第n个采样周期内，只考虑摩擦轮退转反馈机构的反馈数据求得的欠驱动关节角速度ω1f⁽ⁿ⁾可按式(2)计算；

步骤三、只考虑陀螺仪的反馈数据ω计算欠驱动关节转角θ1g和角速度ω1g；由于陀螺仪安装于形成欠驱动关节的机器人手爪上，因此陀螺仪直接测量欠驱动关节的转速，即ω1g＝ω；以ω1g⁽ⁿ⁾表示第n个采样周期得到的ω1g，则只考虑陀螺仪的反馈数据数据时，第n个采样周期的欠驱动关节转角θ1g⁽ⁿ⁾可按式(3)计算；

式(3)中θ1g⁽⁰⁾为攀爬桁架机器人上电时初始状态下欠驱动关节的转角，此初始状态为机器人一手抓握桁架杆，主驱动关节伸直自然下垂静止不动的状态，即θ1g⁽⁰⁾＝0°；

步骤四、综合考虑由摩擦轮退转反馈机构的反馈数据算得的θ1f、ω1f，以及由陀螺仪的反馈数据算得的θ1g、ω1g，确定欠驱动关节的运动状态反馈根据摩擦轮退转反馈机构的光电编码器线数nf，考虑读数时已对此光电编码器的正交脉冲信号进行了四细分，则由摩擦轮退转反馈机构的反馈数据算得的θ1f中可能具有的最大截断误差θ1e可按式(4)计算；

由式(2)可知，截断误差θ1e在角速度ω1f中引入的误差ω1e为

在欠驱动关节低速转动的条件下应使用由陀螺仪的反馈数据算得角速度ω1g作为欠驱动关节的角速度在欠驱动关节高速转动时由摩擦轮退转反馈机构得到的角速度ω1f，在欠驱动关节的角速度在ω1g和ω1f之间选择的阀值确定为20ω1e，以保证的相对误差不超过±5％；

在欠驱动关节高速转动时，以ω1g和ω1f之间偏差的绝对值判断摩擦轮退转反馈机构的摩擦轮是否发生打滑，当|ω1g-ω1f|>ε时认为摩擦轮打滑(ε为角速度偏差的阈值)，应使θ1＝θ1g，并按式(6)更新当前(第n个)采样周期的θ1f⁽ⁿ⁾以消除打滑的影响；

当|ω1g-ω1f|≤ε时认为摩擦轮不打滑，此时令θ1＝θ1g；综合上述规则，欠驱动关节的运动状态反馈应按式(7)确定：

进一步地，所述方法的实现过程还包括：

由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆的控制过程：

步骤一、攀爬桁架机器人的逆运动学建模：定义机器人的主动关节角矢量为θs＝[θ2,θ3,θ4]^t，x＝[xa,ya,θa]^t为游手的位姿矢量，其中θ2、θ3、θ4分别与支撑手相邻的腕关节转角、肘关节转角、与游手相邻的腕关节转角，xa、ya、θa分别为游手中心点的x轴坐标、y轴坐标和游手的姿态角，以第一手爪为支撑手，第二手爪为游手；机器人的逆运动学方程如式(8)所示：

式(8)中l1为桁架杆的轴线到与支撑手相邻的腕关节轴线的距离，l2为与支撑手相邻的腕关节的轴线到肘关节轴线的距离，l3为肘关节轴线到与游手相邻的腕关节轴线的距离，l4为与游手相邻的腕关节轴线到游手中心的距离，a1为第一腕关节轴线到第二腕关节轴线的距离，a2为与游手相邻的腕关节轴线到桁架杆的距离，a3为与支撑手相邻的腕关节轴线到游手中心的距离；a1、a2、a3分别按式(9)、(10)、(11)计算，

考虑到游手抓杆时需将手爪开口对准目标桁架杆，添加如式(12)所示的约束条件，其中x^d、y^d分别为目标桁架杆的x轴、y轴位置坐标，此约束条件确定了游手的中心未与目标桁架杆中心重合时的姿态角θa；

θa＝π/2+arctan[(y^d-ya)/(x^d-xa)](12)

当计算游手的中心与目标桁架杆中心重合时，式(12)所示的约束条件失效，这时为使机器人避开奇异构形，将与游手相邻的腕关节角度设为固定值，即θ4＝θ0(θ0>0)，此时游手的姿态角θa按式(13)计算：

式(13)中，a4为游手中心点到肘关节轴线的距离，按式(14)计算；综合式(8)、(12)、(13)，可根据双臂手机器人游手位置坐标xa、ya和欠驱动关节角θ1确定主动关节的关节角θ2、θ3、θ4；

步骤二、自启动阶段控制：首先令攀爬桁架机器人的支撑手抓握在桁架杆上，机器人的其它关节伸直，整个机器人保持悬垂静止的状态；而后对机器人控制系统上电，在对摩擦轮退转反馈机构、陀螺仪以及各伺服控制/驱动器的通讯状态进行自检后，令机器人的肘关节按式(15)所示轨迹进行运动，同时第一腕关节、第二腕关节保持不动，支撑手开合的目标位置x1^d设为松握位置xs，游手开合的目标位置x2^d设为张开位置x0；

式(15)中θ3^d是肘关节目标角度；a为机器人肘关节的运动幅度；t1为从自启动阶段开始进行计时得到的系统时间；t1为自启动阶段的运动时间；自启动阶段结束的时刻选在欠驱动关节摆动运动的相位过零点，判别条件如式(16)所示：

t1≥t1&β＝0(16)

式(16)中β为欠驱动关节摆荡运动的相位角，β定义为欠驱动关节摆动相曲线上任意一点到相曲线中心点的连线与相空间纵轴的夹角，由于相曲线的中心点可能偏离理论上的(0,0)点并随时间漂移，采用相曲线的切线与相空间横轴的夹角对其进行近似，根据欠驱动关节的角加速度和角速度按式(17)计算：

步骤三、励振阶段控制：自启动阶段结束后开始进行励振阶段的控制，机器人的第一腕关节、第二腕关节、第一手爪、第二手爪均保持不动，肘关节按式(18)给出的目标位置进行运动，即肘关节转角θ3与欠驱动关节转角θ1的相位差始终保持在90°；

励振阶段结束的判别条件如式(19)所示，选择在θ1的最大值max(θ1)达到aθ1^f，且欠驱动关节的摆动相位角β＝180°的时刻，此时机器人肘关节的速度为零，能够减少开始进行后续运动时的冲击；

判别条件(19)中a为大于1的保险系数，其作用是预先在励振阶段考虑补偿后续运动中可能产生的能量损失，使机器人在开始抓握目标桁架杆时欠驱动关节角仍能达到抓握运动所需的目标角度θ1^f，θ1^f为机器人的第一腕关节、第二腕关节均伸直且第二手爪抓握目标桁架杆时欠驱动关节的角度，按式(20)计算：

步骤四、调整阶段控制：调整阶段开始于励振阶段结束的瞬间，调整阶段内机器人由励振结束时的构形调整到适于抓握目标桁架杆的构形，具体的调整运动轨迹如式(21)所示，即：在t2时间内将肘关节的转角θ3由向后弯曲的-a位置光滑过渡至向前弯曲的θ3^f位置，同时将与游手相邻的腕关节转角θ4由0过渡至θ4^f；在调整阶段内，机器人的第一手爪、与支撑手相邻的腕关节、第二手爪保持不动；

式(21)中θ3^f、θ4^f为将θ1^f和目标桁架杆位置坐标(x^d,y^d)代入逆运动学方程式(8)内算得的机器人关节角；b1是过度系数，按式(22)计算：

式(22)中t2为从调整阶段开始计时的系统时间；理论上，调整阶段结束的时刻应选择在欠驱动关节达到最高摆角且速度为0的时刻，即β＝90°的时刻，但考虑到支撑手从松握位置运动到紧握位置需要时间，需将调整阶段结束的时刻选在欠驱动关节达到最高摆角之前，以防止支撑手握紧过程中退转过大；因此将调整阶段结束的时刻选在β＝90°-β0的时刻，其中β0为大于0的常数，这样在β<90°时提前结束调整阶段，并在结束时修改支撑手开合的目标位置x1^d，将其设为紧握位置xt，使支撑手握紧；

步骤五、大阻尼阶段控制：调整阶段结束后立刻进入大阻尼阶段，与支撑手相邻的腕关节、肘关节、与游手相邻的腕关节的目标位置θ2^f、θ3^f、θ4^f的计算公式如式(23)所示：

式(23)中θ2^*、θ3^*、θ4^*为将由式(7)确定的θ1和目标桁架杆位置坐标(x^d,y^d)代入逆运动学方程(8)中算得的机器人关节角；b2为平滑机器人运动用的过渡系数，按式(24)计算：

式(24)中t3为从大阻尼阶段开始计时的系统时间；t3为抓握过渡时间；当t3>t3时，令游手闭合，将其目标开合位置x2^d由打开位置x0切换到(松握)闭合位置xs，完成对目标桁架杆的抓握；若抓杆运动失败，则使欠驱动关节恢复自由回转并从励振阶段开始重新进行控制，直到成功抓握目标杆。

进一步地，所述方法的实现过程还包括：所述攀爬桁架机器人在完成一次目标桁架杆抓握后继续进行连续移动的控制过程：

步骤一、关节变量的转写：连续移动的初始状态是机器人的第一手爪、第二手爪均抓握着桁架杆的状态，位于机器人移动方向后侧的支撑手在之后的连续移动中将松开桁架杆并变为游手，前侧的游手在之后的连续移动中将变为支撑手并与所抓握的桁架杆形成欠驱动关节；因此需要进行关节变量的转写，即第一腕关节的转角与第二腕关节的转角交换，第一手爪的开合距离与第二手爪的开合距离交换，肘关节的转角不变；变量转写后始终使：x1表示支撑手的开合距离，x2表示游手的开合距离，θ1表示欠驱动关节的转角(由安装于支撑手上的陀螺仪和摩擦轮退转反馈机构测得)，θ2表示与支撑手相邻的腕关节转角，θ3表示肘关节的转角，θ4表示与游手相邻的腕关节转角；

步骤二、构形调整阶段控制：此阶段中转角θ2、θ4分别对应的两个腕关节按规划轨迹运动，肘关节转角的位置伺服给定值θ3^d根据θ2、θ4按运动学确定，使用式(25)所示的轨迹对机器人构形进行调整；支撑手与游手的开合位置保持在松握状态，即x1^d＝xs且x2^d＝xs；

式(25)中，θ2^h、θ4^h分别为构形调整阶段的初始状态下θ2、θ4的值；θ2^p和θ4^p分别表示此阶段目标构形中θ2、θ4的值，θ2^p＝0，θ4^p按式(26)计算；b3为构形调整运动中使用的过渡系数，按式(27)计算：

式(28)中t4为从构形调整阶段开始计时的系统时间；t4为构形调整运动的时间；调整阶段结束的时刻选择在t4＝t4的时刻，即构形调整运动完成的时刻；

步骤三、松杆阶段控制：此阶段在构型调整阶段结束后立即开始，θ2^d、θ3^d、θ4^d、x1^d保持不变，令游手松开至张开位置(x2^d＝x0)；松杆阶段结束的判别条件如式(28)所示：

式(28)中为认定松杆完成的欠驱动关节最小速度，t5为从松杆阶段开始计时的系统时间；t5为最小松杆时间；

步骤四、摆荡阶段控制：此阶段在松杆阶段结束后立刻开始，在摆荡阶段内支撑手、游手的开合自由度以及与支撑手相邻的腕关节均保持不动，肘关节和与游手相邻的腕关节将在欠驱动关节由后向前的一次摆荡时间内由松杆时的位置运动到准备抓握的位置；松杆阶段结束时与游手相邻的腕关节转角为式(25)中轨迹规划的终点θ4^p，并将肘关节的转角记为θ3^p；摆荡阶段内肘关节和与游手相邻的腕关节的目标转角与调整阶段的目标转角相同，分别为θ3^f、θ4^f；则肘关节和与游手相邻的腕关节的运动轨迹如式(29)所示：

式(29)中b1是摆荡运动的过度系数，按式(30)计算：

式(30)中，t5为从摆荡阶段开始计时的系统时间；t5摆荡运动的时间，根据多次实验中欠驱动关节由后向前摆荡一次的平均时间确定；摆荡阶段结束时刻的选择与调整阶段结束时刻的选择方式相同，均选在欠驱动关节摆动相位角β＝90°-β0的时刻；摆荡阶段结束时修改支撑手的目标开合位置x1^d，将其设为紧握位置xt；

步骤五、大阻尼阶段控制：连续移动时的大阻尼阶段与从自然悬垂状态启动进行抓杆的大阻尼阶段完全相同，请参见由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆的控制过程中的步骤五；在抓杆结束后，若需继续向前抓握下一目标桁架杆，则从步骤一重新开始，如此循环往复则可实现桁架结构内的连续移动。

本发明的有益效果是：

本发明改进了攀爬桁架机器人的手爪设计，由此设计并研发了能可靠抓握远距离桁架杆(相邻桁架杆间距离大于机器人臂展的50％)的攀爬桁架机器人及其控制系统；本发明提出了综合考虑摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪的反馈数据的欠驱动关节运动状态生成方法，并由基于相位差的励振控制方法和大阻尼欠驱动抓杆控制方法，提出了一种能够可靠抓握远距离桁架杆的摆荡抓杆方法，以及一种以摆荡方式在桁架结构内进行连续移动的运动控制方法。

所设计的桁架攀爬机器人的手爪内侧安装了摩擦材料，能够使机器人在伸向较远的目标时获得足够的阻尼；由于手爪上同时安装有摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪，消除了摩擦轮打滑对欠驱动关节的运动状态检测的影响，使欠驱动关节的运动状态反馈更加准确；所提出的励振控制方法能够发挥机器人的全部驱动能力，与已有的励振控制方法进行对比，具有励振速度快、振幅易于控制和受欠驱动关节摩擦影响小的优点；在机器人因重力作用而不断退转的情况下，所提出的从自然悬垂状态启动的摆荡抓杆控制方法仍能对远距离桁架杆实现稳定抓握，实验成功率可达100％；经仿真和实验验证，所提出的连续移动控制方法能够完成攀爬桁架机器人的连续移动运动控制任务，且半周期的连续移动实验成功率为100％，具有实用价值。

综上，本发明设计的攀爬桁架机器人及其控制系统与本发明提出的摆荡抓杆控制方法为攀爬桁架机器人走向实用化在理论与技术方面向前推进了一大步。

公开日为2013年10月2日，公开号为cn103332233a，专利号为zl201310288965.0的发明专利提供了一种三自由度攀爬桁架机器人及其大阻尼欠驱动控制方法。本发明与其不同之处在于：机器人的开合手爪添加了测量旋转角速度的陀螺仪和增大与桁架杆之间摩擦力的摩擦材料；本发明控制方法中考虑了自由回转状态下欠驱动关节阻尼对励振阶段的影响，提出了基于摆荡相位差的励振控制方法；本发明不但给出了从自然悬垂状态开始励振之后抓握目标桁架杆的摆荡抓杆控制方法，还给出了完成一次摆荡抓杆后在桁架结构内连续移动的控制方法；本发明在实验条件下完成了桁架攀爬机器人的摆荡抓杆运动实验，在仿真条件下完成了多周期的连续移动仿真，易于进行技术转化形成产品。

本发明在机器人的手爪内侧增加了摩擦材料以提供更大的阻尼力矩；手爪上增加了陀螺仪传感器可消除高速摆荡时摩擦轮打滑的影响；并给出了综合考虑摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪的反馈数据，生成欠驱动关节运动状态反馈的方法。提出了基于相位差的励振控制方法，并提出了一种由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆控制方法，以及一种连续移动控制方法，进行了从自然悬垂状态启动的摆荡抓杆实验与连续移动仿真和实验，验证了所提出方法的有效性。本发明应用于攀爬桁架机器人领域。

附图说明

图1是本发明改进与控制的对象(专利号为zl201310288965.0的三自由度攀爬桁架机器人)的照片；图2是本发明改进后的手爪机构简图；图3是本发明中设计的攀爬桁架机器人的开合手爪抓握不同截面形状的桁架杆时的示意图；图4是本发明被控对象(攀爬桁架机器人)的机构参数与物理参数定义图；图5是本发明设计的攀爬桁架机器人控制系统硬件框图；图6是本发明对由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆运动阶段划分及各阶段运动示意图；图7是本发明对机器人已经抓握目标桁架杆后继续在桁架杆间连续移动的阶段划分及各阶段运动示意图；图8是欠驱动关节摆荡的相空间示意图；图9是本发明设计的由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆控制器原理框图；图10是本发明设计的连续移动控制器原理框图；图11是励振控制仿真得到的两种控制方法(能量泵入法和由本发明提出的基于相位差的控制方法)的欠驱动关节振幅曲线图；图12是以本发明改进后的桁架攀爬机器人进行摆荡抓杆实验时的实验场景照片；图13是对距离为0.4m和1.0m的目标桁架杆进行抓握时的机器人关节角曲线图，图中，(a)为目标杆距离为400mm时的关节角曲线，(b)为目标杆距离为1000mm时的关节角曲线；图14是对距离为0.4m和1.0m的目标桁架杆进行抓握时的实验录像截图；图15是从自然悬垂状态下启动完成摆荡抓杆之后完成一个周期的连续移动的仿真视频截图；图16是对距离为0.5m和0.8m的目标桁架杆分别进行抓握(初始状态已握住距离为1.0m的桁架杆)的半周期连续移动实验录像截图；图17是图16中两组实验的机器人关节角曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式中改进的攀爬桁架机器人包括第一手爪1、第一腕关节2、第一连接杆3、肘关节4、第二连接杆5、第二腕关节6和第二手爪7，第一手爪1通过第一腕关节2与第一连接杆3的一端转动连接，第一连接杆3的另一端通过肘关节4与第二连接杆5的一端转动连接，第二手爪7通过第二腕关节6与第二连接杆5的另一端转动连接；第一手爪1与第二手爪7为同一部件，第一腕关节2与第二腕关节6为同一部件，第一连接杆3与第二连接杆5为同一零件。第一腕关节2、肘关节4、第二腕关节6均由直流伺服电动机、同步齿形带传动和谐波齿轮减速机组成，直流伺服电动机经由同步齿形带传动和谐波齿轮传动驱动关节转动。

第一手爪1或第二手爪7由定半爪1-1、定爪衬套1-2、摩擦轮退转反馈机构1-3、动爪滑轨1-4、滚珠丝杆1-5、手爪机架1-6、连接法兰1-7、伺服电动机编码器1-8、直流伺服电动机1-9、伺服电动机减速机1-10、主动齿轮1-11、从动齿轮1-12、动爪滑块1-13、陀螺仪1-14、动半爪1-15、动爪衬套1-16、摩擦材料1-17、螺母1-19组成。伺服电动机编码器1-8、直流伺服电动机1-9、伺服电动机减速机1-10三者依次安装在一起，主动齿轮1-11固定在伺服电动机减速机1-10的输出轴上，从动齿轮1-12与主动齿轮1-11啮合并固定于滚珠丝杆1-5的轴端，滚珠丝杆1-5由轴承在手爪机架1-6上定位，滚珠丝杆1-5上套装的螺母1-19通过动爪滑块1-13和动半爪1-15固连，动半爪1-15和定半爪1-1内侧的矩形槽中分别装有动爪衬套1-16和定爪衬套1-2，动半爪1-15和定半爪1-1的外侧面上分别装有陀螺仪1-14和摩擦轮退转反馈机构1-3，摩擦轮退转反馈机构1-3的摩擦轮1-3-2通过两侧的弹簧1-3-1压紧于桁架杆1-18上，动爪衬套1-16和定爪衬套1-2内侧的半圆槽中贴有摩擦材料1-17，定半爪1-1、动爪滑轨1-4和伺服电动机减速机1-10均固定在手爪机架1-6上，手爪机架1-6上还设有连接法兰1-7，通过连接法兰1-7可将手爪与第一腕关节2或第二腕关节6的末端法兰连接。手爪的直流伺服电动机1-9经由主动齿轮1-11→从动齿轮1-12→滚珠丝杆1-5→螺母1-19→动爪滑块1-13驱动动半爪1-15进行朝向定半爪1-1的闭合运动及背离定半爪1-1的开启运动。

具体实施方式二：如图2、3所示，当所要抓握的桁架杆为圆形截面的桁架杆1-18时，所述机器人的开合手爪可在定半爪1-1和动半爪1-15中分别装入定爪衬套1-2和动爪衬套1-16，并且可根据桁架杆1-18的材料和表面粗糙程度选择不同的摩擦材料1-17，如抓握硬质光滑表面可使用摩擦系数较大的橡胶材料，抓握硬质粗糙表面可使用耐磨性较好的硅胶材料，抓握缆绳等软质不平整表面可使用嵌合性较好的石棉层。对于如角钢1-20、方钢1-21、槽钢1-22、工字钢1-23等截面形状具有90°棱角的桁架杆，可拆去定爪衬套1-2和动爪衬套1-16，使用定半爪1-1和动半爪1-15内侧的矩形槽进行抓握。定半爪1-1、动半爪1-15内侧的矩形凹槽和定爪衬套1-2、动爪衬套1-16内侧的半圆形凹槽均按系列化设计，如此可抓握不同尺寸的桁架杆。

具体实施方式三：如图5所示，所述攀爬桁架机器人的控制系统由上位机和第一手爪1、第一腕关节2、肘关节4、第二腕关节6、第二手爪7的伺服电动机控制/驱动器组成，上位机通过usb接口与驱动和控制第一手爪1中直流伺服电动机1-9的主节点伺服控制/驱动器通讯，主节点伺服控制/驱动器通过can总线与其它伺服控制/驱动器通讯，每个伺服控制/驱动器对应一个直流伺服电动机。上位机也可以在pci插槽上加装一块can-pci板卡，通过此板卡直接与所有的伺服控制/驱动器进行通讯。机器人手爪上的摩擦轮退转反馈机构1-3反馈其内光电编码器轴的转角θ，陀螺仪1-14反馈自身的旋转角速度ω，摩擦轮退转反馈机构1-3和陀螺仪1-14与上位机通过串口进行通讯，上位机根据θ和ω生成欠驱动关节的运动状态反馈并根据和其它主动关节的转角反馈计算主动关节的目标位置。上位机将含有主动关节的目标位置的控制指令通过usb接口发送给主节点伺服控制/驱动器，主节点伺服控制/驱动器将收到的控制指令通过can总线发送给相应的伺服控制/驱动器；在上位机使用can-pci板卡的情况下，上位机按伺服控制/驱动器的节点号依次发送运动指令，直接与各伺服控制/驱动器进行数据交换，此种情况下所需的通讯时间比依靠usb接口时的更少，能够实现相同轴数控制周期更短或控制周期相同轴数更多的在线实时控制。所有伺服控制/驱动器受到控制指令后按can总线内部的同步信号进行同步，并对各自的直流伺服电机进行位置或力矩控制。

具体实施方式四：根据由串口获得的摩擦轮退转反馈机构1-3和陀螺仪1-14的反馈数据，上位机生成欠驱动关节的运动状态反馈的步骤如下：

步骤一、按照固定的采样周期ts通过上位机串口对摩擦轮退转反馈机构1-3和陀螺仪1-14进行数据读取，并将获得二进制数转换为十进制数，由摩擦轮退转反馈机构1-3得到的光电编码器转角为θ，由陀螺仪1-14得到的手爪转动角速度为ω。

步骤二、只考虑摩擦轮退转反馈机构1-3的反馈数据θ计算欠驱动关节转角θ1f和角速度ω1f。用if表示摩擦轮退转反馈机构1-3的减速比，则根据转角θ计算的θ1f如式(1)所示。

θ1f＝θ/if(1)

以θ1f⁽ⁿ⁾表示第n个采样周期算得的θ1f，则在第n个采样周期内，只考虑摩擦轮退转反馈机构1-3的反馈数据求得的欠驱动关节角速度ω1f⁽ⁿ⁾可按式(2)计算。

步骤三、只考虑陀螺仪1-14的反馈数据ω计算欠驱动关节转角θ1g和角速度ω1g。由于陀螺仪安装于形成欠驱动关节的机器人手爪上，因此陀螺仪1-14直接测量欠驱动关节的转速，即ω1g＝ω。以ω1g⁽ⁿ⁾表示第n个采样周期得到的ω1g，则只考虑陀螺仪1-14的反馈数据数据时，第n个采样周期的欠驱动关节转角θ1g⁽ⁿ⁾可按式(3)计算。

式(3)中θ1g⁽⁰⁾为攀爬桁架机器人上电时初始状态下欠驱动关节的转角，在本发明中此初始状态为机器人一手抓握桁架杆，主驱动关节伸直自然下垂静止不动的状态，即θ1g⁽⁰⁾＝0°。

步骤四、综合考虑由摩擦轮退转反馈机构1-3的反馈数据算得的θ1f、ω1f，以及由陀螺仪1-14的反馈数据算得的θ1g、ω1g，确定欠驱动关节的运动状态反馈根据摩擦轮退转反馈机构1-3的光电编码器线数nf，考虑读数时已对此光电编码器的正交脉冲信号进行了四细分，则由摩擦轮退转反馈机构1-3的反馈数据算得的θ1f中可能具有的最大截断误差θ1e可按式(4)计算。

由式(2)可知，截断误差θ1e在角速度ω1f中引入的误差ω1e为

由于传感器的采样周期ts很短(一般为几毫秒至十几毫秒)，因此按式(5)计算角速度ω1f中的截断误差ω1e不可忽略，在欠驱动关节低速转动的条件下应使用由陀螺仪1-14的反馈数据算得角速度ω1g作为欠驱动关节的角速度但摩擦轮退转反馈机构1-3的机械本体具有一定的滤波作用，能够滤掉因桁架振动而可同通过陀螺仪1-14反馈传入的高频扰动信号，因此在欠驱动关节高速转动时还应使用由摩擦轮退转反馈机构1-3得到的角速度ω1f，在欠驱动关节的角速度在ω1g和ω1f之间选择的阀值确定为20ω1e，如此可保证的相对误差不超过±5％。

此外，在欠驱动关节高速转动时，以ω1g和ω1f之间偏差的绝对值判断摩擦轮退转反馈机构1-3的摩擦轮是否发生打滑，当|ω1g-ω1f|>ε时认为摩擦轮打滑(ε为角速度偏差的阈值)，应使θ1＝θ1g，并按式(6)更新当前(第n个)采样周期的θ1f⁽ⁿ⁾以消除打滑的影响。

当|ω1g-ω1f|≤ε时认为摩擦轮不打滑，此时令θ1＝θ1g。综合上述规则，欠驱动关节的运动状态反馈应按式(7)确定。

具体实施方式五：如图6、9所示，所述攀爬桁架机器人由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆控制方法步骤如下：

步骤一、攀爬桁架机器人的逆运动学建模。定义机器人的主动关节角矢量为θs＝[θ2,θ3,θ4]^t，x＝[xa,ya,θa]^t为游手的位姿矢量，其中θ2、θ3、θ4分别与支撑手相邻的腕关节转角、肘关节转角、与游手相邻的腕关节转角，xa、ya、θa分别为游手中心点的x轴坐标、y轴坐标和游手的姿态角，本实施方式内以第一手爪1为支撑手，第二手爪7为游手。机器人的逆运动学方程如式(8)所示。

式(8)中l1为桁架杆(1-18)的轴线到与支撑手相邻的腕关节轴线的距离，l2为与支撑手相邻的腕关节的轴线到肘关节(4)轴线的距离，l3为肘关节(4)轴线到与游手相邻的腕关节轴线的距离，l4为与游手相邻的腕关节轴线到游手中心的距离，a1为第一腕关节2轴线到第二腕关节6轴线的距离，a2为与游手相邻的腕关节轴线到桁架杆1-18的距离，a3为与支撑手相邻的腕关节轴线到游手中心的距离。a1、a2、a3分别按式(9)、(10)、(11)计算。

考虑到游手抓杆时需将手爪开口对准目标桁架杆，添加如式(12)所示的约束条件，其中x^d、y^d分别为目标桁架杆的x轴、y轴位置坐标，此约束条件确定了游手中心未与目标桁架杆中心重合时的姿态角θa。

θa＝π/2+arctan[(y^d-ya)/(x^d-xa)](12)

当计算游手中心与目标桁架杆中心重合时，式(12)所示的约束条件失效，这时为使机器人避开奇异构形，将与游手相邻的腕关节角度设为固定值，即θ4＝θ0(θ0>0)，此时游手姿态角θa按式(13)计算。

式(13)中，a4为游手中心点到肘关节4轴线的距离，按式(14)计算。综合式(8)、(12)、(13)，可根据双臂手机器人游手位置坐标xa、ya和欠驱动关节角θ1确定主动关节的关节角θ2、θ3、θ4。

步骤二、自启动阶段控制。首先令攀爬桁架机器人的支撑手抓握在桁架杆1-18上，机器人的其它关节伸直，整个机器人保持悬垂静止的状态。而后对机器人控制系统上电，在对摩擦轮退转反馈机构1-3、陀螺仪1-14以及各伺服控制/驱动器的通讯状态进行自检后，令机器人的肘关节4按式(15)所示轨迹进行运动，同时第一腕关节2、第二腕关节6保持不动，支撑手开合的目标位置x1^d设为松握位置xs，游手开合的目标位置x2^d设为张开位置x0。

式(15)中θ3^d是肘关节目标角度；a为机器人肘关节的运动幅度；t1为从自启动阶段开始进行计时得到的系统时间；t1为自启动阶段的运动时间。自启动阶段结束的时刻选在欠驱动关节摆动运动的相位过零点，判别条件如式(16)所示。

t1≥t1&β＝0(16)

式(16)中β为欠驱动关节摆荡运动的相位角，如图8所示，β定义为欠驱动关节摆动相曲线上任意一点到相曲线中心点的连线与相空间纵轴的夹角，由于相曲线的中心点可能偏离理论上的(0,0)点并随时间漂移，本发明采用相曲线的切线与相空间横轴的夹角对其进行近似，根据欠驱动关节的角加速度和角速度按式(17)计算。

步骤三、励振阶段控制。自启动阶段结束后开始进行励振阶段的控制，机器人的第一腕关节2、第二腕关节6、第一手爪1、第二手爪7均保持不动，肘关节4按式(18)给出的目标位置进行运动，即肘关节4转角θ3与欠驱动关节转角θ1的相位差始终保持在90°。

励振阶段结束的判别条件如式(19)所示，选择在θ1的最大值max(θ1)达到aθ1^f，且欠驱动关节的摆动相位角β＝180°的时刻，此时机器人肘关节4的速度为零，能够减少开始进行后续运动时的冲击。

判别条件(19)中a为大于1的保险系数，其作用是预先在励振阶段考虑补偿后续运动中可能产生的能量损失，使机器人在开始抓握目标桁架杆时欠驱动关节角仍能达到抓握运动所需的目标角度θ1^f，θ1^f为机器人的第一腕关节2、第二腕关节7均伸直且第二手爪7抓握目标桁架杆时欠驱动关节的角度，按式(20)计算。

步骤四、调整阶段控制。调整阶段开始于励振阶段结束的瞬间，调整阶段内机器人由励振结束时的构形调整到适于抓握目标桁架杆的构形，具体的调整运动轨迹如式(21)所示，即：在t2时间内将肘关节4的转角θ3由向后弯曲的-a位置光滑过渡至向前弯曲的θ3^f位置，同时将与游手相邻的腕关节转角θ4由0过渡至θ4^f。在调整阶段内，机器人的第一手爪1、与支撑手相邻的腕关节、第二手爪7保持不动。

式(21)中θ3^f、θ4^f为将θ1^f和目标桁架杆位置坐标(x^d,y^d)代入逆运动学方程式(8)内算得的机器人关节角；b1是过度系数，按式(22)计算。

式(22)中t2为从调整阶段开始计时的系统时间。调整阶段结束的时刻选择在欠驱动关节摆动相位角β＝90°-β0的时刻，其中β0为大于0的常数。β＝90°对应欠驱动关节达到最高摆角且速度为0的时刻(理论上支撑手握紧桁架杆1-18的最佳时刻)，但考虑到支撑手从松握位置xs运动到紧握位置xt需要时间，即实际工况下欠驱动关节不能立刻从松握的小阻尼状态切换达到大阻尼状态，其阻尼有一个上升的过程，因此本发明提出在欠驱动关节相位角达到90°之前结束调整阶段，并在结束时修改支撑手开合的目标位置x1^d，将其设为紧握位置xt。

步骤五、大阻尼阶段控制。调整阶段结束后立刻进入大阻尼阶段，与支撑手相邻的腕关节、肘关节4、与游手相邻的腕关节的目标位置θ2^f、θ3^f、θ4^f的计算公式如式(23)所示。

式(23)中θ2^*、θ3^*、θ4^*为将由式(7)确定的θ1和目标桁架杆位置坐标(x^d,y^d)代入逆运动学方程(8)中算得的机器人关节角；b2为平滑机器人运动用的过渡系数，按式(24)计算。

式(24)中t3为从大阻尼阶段开始计时的系统时间；t3为抓握过渡时间。当t3>t3时，令游手闭合，将其目标开合位置x2^d由打开位置x0切换到(松握)闭合位置xs，完成对目标桁架杆的抓握。若抓杆运动失败，则使欠驱动关节恢复自由回转并从励振阶段开始重新进行控制，直到成功抓握目标杆。

按照上述攀爬桁架机器人的摆荡抓杆控制方法进行控制，机器人运动过程的示意图如6所示，初始状态下机器人的支撑手松握桁架杆1-18，并保持自然下垂的静止状态；在自启动阶段内由肘关节4的运动使机器人开始偏离其自然下垂的初始状态，在欠驱动关节的摆动相位角达到0°时切换到励振阶段；励振阶段内通过肘关节4的运动向系统输入能量，欠驱动关节的摆幅达到要求后切换到调整阶段；调整阶段内机器人迅速从励振运动结束时的构型过渡到预备抓握目标桁架杆的构型，并开始合紧支撑手；进入大阻尼阶段后机器人按目标桁架杆的位置计算机器人三个主驱动关节的目标位置，当游手到达目标桁架杆所在的位置后合上游手，完成抓握。

具体实施方式六：如图7、10所示，所述攀爬桁架机器人在完成一次目标桁架杆抓握后继续进行连续移动的控制方法步骤如下：

步骤一、关节变量的转写。连续移动的初始状态是机器人的第一手爪1、第二手爪7均抓握着桁架杆的状态，位于机器人移动方向后侧的支撑手在之后的连续移动中将松开桁架杆并变为游手，前侧的游手在之后的连续移动中将变为支撑手并与所抓握的桁架杆形成欠驱动关节。因此需要进行关节变量的转写，即第一腕关节1的转角与第二腕关节7的转角交换，第一手爪1的开合距离与第二手爪7的开合距离交换，肘关节4的转角不变。变量转写后始终使：x1表示支撑手的开合距离，x2表示游手的开合距离，θ1表示欠驱动关节的转角(由安装于支撑手上的陀螺仪1-14和摩擦轮退转反馈机构1-3测得)，θ2表示与支撑手相邻的腕关节转角，θ3表示肘关节4的转角，θ4表示与游手相邻的腕关节转角。

步骤二、构形调整阶段控制。此阶段的目的是使机器人从上次抓杆结束时的构形调整到适合松开游手和再次向前摆荡的构形，此目标构形应具有以下特征：与欠驱动关节相邻的腕关节伸直以方便下次摆荡，且游手成竖直姿态(θa＝-180°)以方便手爪松开后机器人能顺利下摆。构形调整阶段开始时攀爬桁架机器人与所抓握的两个桁架杆形成了单闭环5杆机构，此机构具有2个自由度但机器人具有3个主驱动关节，因此构形调整阶段中转角θ2、θ4分别对应的两个腕关节按规划轨迹运动，肘关节转角的位置伺服给定值θ3^d根据θ2、θ4按运动学确定，使用式(25)所示的轨迹对机器人构形进行调整。支撑手与游手的开合位置保持在松握状态，即x1^d＝xs且x2^d＝xs。

式(25)中，θ2^h、θ4^h分别为构形调整阶段的初始状态下θ2、θ4的值；θ2^p和θ4^p分别表示此阶段目标构形中θ2、θ4的值，θ2^p＝0，θ4^p按式(26)计算；b3为构形调整运动中使用的过渡系数，按式(27)计算。

式(28)中t4为从构形调整阶段开始计时的系统时间；t4为构形调整运动的时间。调整阶段结束的时刻选择在t4＝t4的时刻，即构形调整运动完成的时刻。

步骤三、松杆阶段控制。此阶段在构型调整阶段结束后立即开始，θ2^d、θ3^d、θ4^d、x1^d保持不变，令游手松开至张开位置(x2^d＝x0)。松杆完成的判别可通过判断欠驱动关节速度是否达到某一阈值来进行，且为了防止下一阶段的运动在游手尚未完全脱离桁架杆时过早启动，添加一个延时条件，因此松杆阶段结束的判别条件如式(28)所示。

式(28)中为认定松杆完成的欠驱动关节最小速度，t5为从松杆阶段开始计时的系统时间；t5为最小松杆时间。

步骤四、摆荡阶段控制。此阶段在松杆阶段结束后立刻开始，在摆荡阶段内支撑手、游手的开合自由度以及与支撑手相邻的腕关节均保持不动，肘关节4和与游手相邻的腕关节将在欠驱动关节由后向前的一次摆荡时间内由松杆时的位置运动到准备抓握的位置。由于松杆阶段中机器人的主动关节保持不动，因此松杆阶段结束时机器人主动关节的位置还保持在构形调整阶段结束时的位置，此时与游手相邻的腕关节转角为式(25)中轨迹规划的终点θ4^p，并将肘关节的转角记为θ3^p。摆荡阶段内肘关节4和与游手相邻的腕关节的目标转角与具体实施方式五中调整阶段的目标转角相同，分别为θ3^f、θ4^f。则肘关节4和与游手相邻的腕关节的运动轨迹如式(29)所示。

式(29)中b1是摆荡运动的过度系数，按式(30)计算。

式(30)中，t5为从摆荡阶段开始计时的系统时间；t5摆荡运动的时间，根据多次实验中欠驱动关节由后向前摆荡一次的平均时间确定。摆荡阶段结束时刻的选择与具体实施方式五中调整阶段结束时刻的选择方式相同，均选在欠驱动关节摆动相位角β＝90°-β0的时刻，以提前让出支撑手从松握位置xs运动到紧握位置xt需要时间。摆荡阶段结束时修改支撑手的目标开合位置x1^d，将其设为紧握位置xt。

步骤五、大阻尼阶段控制。连续移动时的大阻尼阶段与从自然悬垂状态启动进行抓杆的大阻尼阶段完全相同，请参见具体实施方式五中的步骤五。在抓杆结束后，若需继续向前抓握下一目标桁架杆，则从步骤一重新开始，如此循环往复则可实现桁架结构内的连续移动。

具体实施方式七：对上述抓杆控制方法中的励振阶段控制方法，进行了仿真测试，并与直接应用能量泵入法的励振仿真结果进行对比。仿真环境由matlab/simulink软件和adams软件联合建立，其中matlab/simulink软件负责机器人的控制，adams软件负责机器人的实体建模和力学仿真。对欠驱动关节阻尼系数c＝0、29、58、87、106(nms/°)的五种情况分别进行了励振控制仿真，应用由本发明提出的基于相位差的控制方法和应用能量泵入法分别得到的欠驱动关节振幅曲线如图11所示。

在图11中，无论阻尼系数c如何变化，由本发明提出的励振控制方法始终能得到高于能量泵入法的欠驱动关节振幅曲线；所有由本发明提出的励振控制方法获得的振幅曲线都表现出了增速递减的特征；在欠驱动关节有摩擦(c>0)的情况下，由本发明提出的励振控制方法得到的欠驱动关节振幅曲线相对于无摩擦情况(c＝0)的下降幅度较小。上述现象说明：在仿真测试的-90°<θ1<90°范围内，本发明提出的基于相位差的励振控制方法具有更快的励振速度，欠驱动关节的振幅更容易控制，且能够更好地克服由欠驱动关节摩擦所带来的影响。

具体实施方式八：如图12所示，应用所述攀爬桁架机器人和所述的摆荡抓杆控制方法，对不同距离的目标桁架杆进行了抓杆实验，目标桁架杆距离的范围是为0.4m～1m(机器人机构伸展长度的28.5％～69.4％)，在此范围内每隔0.1m选定一个目标杆距离(共7个不同目标杆距离)各进行5次重复试验。如图13所示是分别对距离为0.4m和1m的目标桁架杆各一组抓握实验的机器人关节运动曲线，图14给出了应于图13中两次实验的录像截图。所有的35组实验均能在一个完整的摆荡抓杆周期内取得成功，即不需进行额外的励振阶段就能以100％的成功率抓握目标桁架杆，值得注意的是对距离为0.8m、0.9m、1.0m三个超过了机器人机构伸展长度50％的目标桁架杆，所述攀爬桁架机器人及其摆荡抓杆控制方法仍能达到100％的成功率。

具体实施方式九：为验证所提出的连续移动运动控制方法的有效性，在adams软件内建立了具有4根桁架杆的连续移动仿真环境，攀爬桁架机器人的虚拟样机在初始状态下自然悬垂于第一桁架杆下方，每根桁架杆的间距为0.6m。如图15所示，按(a)、(b)…、(l)的顺序，攀爬桁架机器人首先应用本发明中提出的由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆控制方法使游手抓握第二桁架杆，之后按所提出的连续移动控制方法依次松开第一桁架杆抓握第三桁架杆、松开第二桁架杆抓握第四桁架杆，完成一个完整的连续移动周期，最后机器人松开第三桁架杆并回复自然悬垂状态。整个运动过程耗时90s，完成了一次从悬垂状态启动的抓杆和两次连续移动抓杆，机器人共移动了1.8m。由上述仿真过程可知：所提出的从悬垂状态启动的摆荡抓杆方法和连续移动方法能够顺畅的结合在一起，并能够完成攀爬桁架机器人在桁架结构内的移动任务。

如图16所示，对本发明中提出的攀爬桁架机器人双手均已抓握桁架杆后进行连续移动的控制方法进行了实验验证，由于交换支撑手与游手后每半个连续移动周期的机器人运动均相同，本发明中只进行了半周期的连续移动实验。实验的初始状态为机器人抓握距离为1.0m的桁架杆并已进行了构形调整运动之后的状态，因此实验中机器人直接从松杆阶段开始运动，所要抓握的目标桁架杆距离分别为0.5m、0.6m、0.7m、0.8m，每个距离重复了三次实验，图16中给出了对距离为0.5m和0.8m目标桁架杆进行抓杆的连续移动实验录像截图，图17是这两次实验的关节角曲线。全部12次连续移动实验均只需一次摆荡和切换大阻尼就完成了抓杆，即成功率为100％，说明所设计的攀爬桁架机器人和所提出的连续移动控制方法具有在实际工作环境内以高可靠度完成作业任务的能力。

本发明中所有参数或变量的含义参见表一。

表一参数、变量定义表