一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法
【专利摘要】一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法。其包括建立评价指标阶段和跟踪计算阶段；建立评价指标阶段是首先建立路径跟踪性能评价指标：最大误差、平均误差、响应时间和控制精度；跟踪计算阶段包括建立蛇臂末端关节分点、求分点路径坐标、建立路径分点数组、跟踪一个路径关节段、判断是否为第一关节段、求第一关节段分点距离、求分点到路径的距离、计算最大距离值、记录响应时间、判断是否完成路径跟踪、确定最大误差值、确定平均误差、确定控制精度等阶段：本发明提供的连续型机器人路径跟踪效果评价方法能够客观描述跟踪的情况，具有时间复杂度低、易于软件实现的特点。
【专利说明】一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法
【技术领域】
[0001]本发明属于自动控制【技术领域】，特别是涉及一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法。
【背景技术】
[0002]连续型机器人是一种采用“无脊椎”柔性结构的新型仿生机器人，具有良好的弯曲性能，可以柔顺而灵活地改变自身的形状，其优良的弯曲特性甚至可以和蛇、象鼻子以及章鱼触角等生物器官媲美。由于连续型机器人的外形可以灵活改变，因此具有根据环境障碍物的状况而改变自身形状的能力，对工作空间受限的环境具有独特的适应能力。其应用前景广阔，可以应用于飞机油箱检查、多障碍物工业环境内的作业、弯曲管道和塌陷建筑物内的侦查和搜救、核电站内部管路的维护、人体疾病的诊疗等场合。
[0003]连续型机器人为由多个关节段构成的串联机器人，其关节段具有结构上的约束，能进行空间的弯曲和旋转运动。在空间结构约束很强的环境中，为避免机器人触碰造成损伤或潜在危险，需对机器人到达目标区域的行进路径进行规划。路径为由若干个类似连续型关节的曲线构成，满足其结构约束，是连续型机器人到达目标区域的最终姿态。在设计跟踪算法时，为分析和评价跟踪效果，需要提出评价方法。而当前对于连续型机器人跟踪效果的评价尚缺少依据。
[0004]在这种技术背景下，目前尚未发现针对于连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供的连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法包括建立评价指标阶段和跟踪计算阶段；
[0007](一)建立评价指标阶段
[0008]首先建立路径跟踪性能评价指标:最大误差、平均误差、响应时间和控制精度；
[0009](二)跟踪计算阶段
[0010]在蛇臂跟踪路径的步进过程的每一步中，计算并记录评价指标所需要的各项参数，在跟踪完成后，确定评价指标的各项数值。
[0011]在建立评价指标阶段中，所述的评价指标包括:
[0012]1.1)最大误差
[0013]最大误差是指连续型机器人蛇臂在对路径跟踪时蛇臂关节段与相应路径段的最大偏差距离；由于跟踪路径过程中只求解蛇臂末端关节段的关节段变量，其余关节段重复蛇臂末端关节段的运动，故蛇臂基座每次步进后，只需求解末端关节段与路径的最大距离，这些最大距离中的最大值为最大误差；路径关节段数为n个，设最大距离为dmaxt (t=l, 2, 3,..., nw),最大误差为 emax ；
[0014]1.2)平均误差
[0015]平均误差是指蛇臂末端关节段与路径关节段的所有最大距离的平均值，用来衡量跟踪过程中的平均偏差大小；设平均误差为I，则
[0016]<img/
[0017]1.3)响应时间
[0018]响应时间是指每次计算出蛇臂关节段变量所需的时间，用来衡量控制算法的快速性；
[0019]1.4)控制精度
[0020]控制精度是指完成路径跟踪后蛇臂末端点与路径末端点的距离；路径是由给定需要检测的目标点后按照路径规划算法产生的，与路径末端点的距离即是与目标点的距离；控制精度是用来衡量到达目标点的准确程度。
[0021]所述的跟踪计算阶段的具体操作过程包括按顺序执行的如下阶段:
[0022]步骤一、建立蛇臂末端关节分点的SOl阶段:将蛇臂末端关节段均分为w份；
[0023]步骤二、求分点路径坐标{BJ的S02阶段:求解分点在路径坐标系(BcJ中的坐标，记作数组 U (q) (q=l, 2,..., w)；
[0024]步骤三、建立路径分点数组{VM}的S03阶段:将路径各关节段均分w份，分点构成数组 V (p, q) (p=l, 2，? ? ?，n; q=l, 2,..., w)；
[0025]步骤四、跟踪一个路径关节段的S04阶段:蛇臂前进一步，并完成跟踪路径的动作；即:蛇臂末端关节段跟踪路径一个关节段，基座第j (0 ^ j ^ w)次步进；
[0026]步骤五、判断是否为第一关节段的S05阶段:判断当前蛇臂末端关节段的跟踪对象是否为路径的第一关节段，若判断结果为“是”，则进入下一步S06阶段，否则下一步进入S07阶段；
[0027]步骤六、求第一关节段分点距离的S06阶段:确定跟踪路径第一关节段时的分点距离，分别计算数组U(q)中后j个点到数组V(l，q)中所有点的距离，取最小值作为蛇臂上的点到路径的距离，这些距离值中的最大值为此次到路径的最大距离d_t ；
[0028]步骤七、求分点到路径的距离的S07阶段:跟踪路径第m关节段时(l〈m≤n)，需要计算数组U(q)中每个点到数组V(m-l，q)和V(m，q)中所有点的距离，取最小值作为该点到路径距离的近似值，近似认为其最小值为该点到路径的距离；
[0029]步骤八、计算最大距离值的S08阶段:基座每次步进后，求出上述距离，近似认为距离最大值为末端关节段与路径的最大距离d_t，
[0030]步骤九、记录响应时间的S09阶段:响应时间是指每次计算出蛇臂关节段变量所需的时间，用来衡量计算过程的快速性；
[0031]步骤十、判断是否完成路径跟踪的SlO阶段:判断当前蛇臂末端是否达到路径的末端，若判断结果为“是”，则进入下一步Sll阶段，否则下一步重新进入S04阶段，继续步进跟踪；
[0032]步骤十一、确定最大误差值的Sll阶段:最大误差为最大距离中的最大值；[0033]最大误差emax为:
[0034]emax=max {dmaxl, dmax2, ? ? ?，dmaxt}
[0035]步骤十二、确定平均误差的S12阶段:平均误差是指蛇臂末端关节段与路径关节段的所有最大距离的平均值，用来衡量跟踪过程中的平均偏差大小；设平均误差为F，则
【权利要求】
1.一种连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法，其特征在于:其包括建立评价指标阶段和跟踪计算阶段； (一)建立评价指标阶段 首先建立路径跟踪性能评价指标:最大误差、平均误差、响应时间和控制精度； (二)跟踪计算阶段 在蛇臂跟踪路径的步进过程的每一步中，计算并记录评价指标所需要的各项参数，在跟踪完成后，确定评价指标的各项数值。
2.根据权利要求1所述的连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法，其特征在于:在建立评价指标阶段中，所述的评价指标包括: . 1.D最大误差 最大误差是指连续型机器人蛇臂在对路径跟踪时蛇臂关节段与相应路径段的最大偏差距离；由于跟踪路径过程中只求解蛇臂末端关节段的关节段变量，其余关节段重复蛇臂末端关节段的运动，故蛇臂基座每次步进后，只需求解末端关节段与路径的最大距离，这些最大距离中的最大值为最大误差；路径关节段数为n个，设最大距离为Idmaxt (t=l, 2，3，…，nw),最大误差为 emax ； . 1.2)平均误差 平均误差是指蛇臂末端关节段与路径关节段的所有最大距离的平均值，用来衡量跟踪过程中的平均偏差大小；设平均误差为F，则
3.根据权利要求1所述的连续型机器人空间路径跟踪效果的评价方法，其特征在于:所述的跟踪计算阶段的具体操作过程包括按顺序执行的如下阶段: 步骤一、建立蛇臂末端关节分点的SOl阶段:将蛇臂末端关节段均分为w份； 步骤二、求分点路径坐标{BJ的S02阶段:求解分点在路径坐标系(BcJ中的坐标，记作数组 U(q) (q=l, 2,..., w)； 步骤三、建立路径分点数组{VM}的S03阶段:将路径各关节段均分w份，分点构成数组 V (P，q) (p=l, 2，? ? ?，n; q=l, 2,..., w)； 步骤四、跟踪一个路径关节段的S04阶段:蛇臂前进一步，并完成跟踪路径的动作；即:蛇臂末端关节段跟踪路径一个关节段，基座第j (0 ^ j ^ w)次步进； 步骤五、判断是否为第一关节段的S05阶段:判断当前蛇臂末端关节段的跟踪对象是否为路径的第一关节段，若判断结果为“是”，则进入下一步S06阶段，否则下一步进入S07阶段；步骤六、求第一关节段分点距离的S06阶段:确定跟踪路径第一关节段时的分点距离，分别计算数组U(q)中后j个点到数组V(l，q)中所有点的距离，取最小值作为蛇臂上的点到路径的距离，这些距离值中的最大值为此次到路径的最大距离d_t ； 步骤七、求分点到路径的距离的S07阶段:跟踪路径第m关节段时(l〈m ( n)，需要计算数组U(q)中每个点到数组V(m-l，q)和V(m，q)中所有点的距离，取最小值作为该点到路径距离的近似值，近似认为其最小值为该点到路径的距离； 步骤八、计算最大距离值的S08阶段:基座每次步进后，求出上述距离，近似认为距离最大值为末端关节段与路径的最大距离Clmaxt, 步骤九、记录响应时间的S09阶段:响应时间是指每次计算出蛇臂关节段变量所需的时间，用来衡量计算过程的快速性； 步骤十、判断是否完成路径跟踪的SlO阶段:判断当前蛇臂末端是否达到路径的末端，若判断结果为“是”，则进入下一步Sll阶段，否则下一步重新进入S04阶段，继续步进跟踪; 步骤十一、确定最大误差值的Sll阶段:最大误差为最大距离中的最大值； 最大误差e_为:
【文档编号】G05B23/00GK103707298SQ201310663907
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】牛国臣, 高庆吉, 胡丹丹, 王力 申请人:中国民航大学