基于多層CPG的足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、由于足式機(jī)器人是一個(gè)多自由度、強(qiáng)非線性、多冗余的機(jī)械系統(tǒng)，其在未知、復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。而自然界中生物的中樞模式發(fā)生器（CPG）可在無(wú)高層中樞參與的情況下，利用多傳感信息，控制生物實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互以及關(guān)節(jié)與肢體的協(xié)調(diào)，從而控制生物在復(fù)雜、未知的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，且其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與協(xié)調(diào)性。因此，模擬生物CPG控制機(jī)制，建立足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法，是解決足式機(jī)器人在未知、復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制

2、問(wèn)題的有效途徑之一。然而，現(xiàn)有的CPG仿生運(yùn)動(dòng)控制方法尚缺乏對(duì)于生物CPG控制機(jī)制的完整模擬，大多僅單獨(dú)對(duì)機(jī)器人與環(huán)境的交互，機(jī)器人關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)或機(jī)器人肢體的協(xié)調(diào)進(jìn)行研究，且存在神經(jīng)元響應(yīng)速度較慢，機(jī)器人與環(huán)境的交互受到傳感信息的調(diào)節(jié)作用較少，較難同時(shí)協(xié)調(diào)機(jī)器人的多關(guān)節(jié)與肢體，較難根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式等問(wèn)題，在未知、復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與協(xié)調(diào)性較差。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)能夠完整模擬生物運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制的多層

3、CPG運(yùn)動(dòng)控制方法展開(kāi)研究，同時(shí)對(duì)生物CPG的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、生物與環(huán)境的交互運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制及生物CPG對(duì)多關(guān)節(jié)與多肢體的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行模擬，建立一種完整的仿生控制結(jié)構(gòu)，使其能夠在未知、復(fù)雜環(huán)境中，獨(dú)立地完成足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，且其運(yùn)動(dòng)具有穩(wěn)定性、對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性及多關(guān)節(jié)、肢體的協(xié)調(diào)性。具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：
　　針對(duì)現(xiàn)有的CPG中間神經(jīng)元模型響應(yīng)速度較慢、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的輸出缺乏在線調(diào)節(jié)的問(wèn)題，模擬生物神經(jīng)元的響應(yīng)特性

4、，利用 Hopfield模型建立了中間神經(jīng)元模型，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元對(duì)傳感信息的快速響應(yīng)；模擬生物神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)的工作原理，建立運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)、在線調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的CPG控制方法所生成的運(yùn)動(dòng)形式較為單一、缺乏傳感信息調(diào)控等問(wèn)題，結(jié)合中間神經(jīng)元與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元模型，模擬生物CPG傳感信息分層接收與運(yùn)動(dòng)命令分層執(zhí)行的控制機(jī)制，提出并建立了一種多層CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人關(guān)節(jié)的穩(wěn)定節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)對(duì)

5、比實(shí)驗(yàn)，對(duì)此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的快速性、穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　以矢狀面內(nèi)機(jī)器人單足的運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)器人與環(huán)境的交互方式進(jìn)行了分析，提出了各自由度方向上的穩(wěn)定交互控制方法。依據(jù)此控制方法，在多層CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中間神經(jīng)元層及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元層中引入多傳感信息，通過(guò)多傳感信息對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)節(jié)律、模式、關(guān)節(jié)軌跡的實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人、CPG控制機(jī)制與環(huán)境三者之間的閉環(huán)、穩(wěn)定交互。在單足跳躍機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)此交互控制方法的穩(wěn)定性、適應(yīng)性進(jìn)

6、行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并與生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
　　模擬生物協(xié)調(diào)機(jī)制，通過(guò)中間神經(jīng)元延時(shí)環(huán)節(jié)的加入與傳感信息對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的調(diào)節(jié)，提出并建立了機(jī)器人肢體內(nèi)多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制方法，提高了機(jī)器人的前進(jìn)速度、跳躍高度等運(yùn)動(dòng)性能；在關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠同時(shí)協(xié)調(diào)機(jī)器人多關(guān)節(jié)與多肢體，且能夠根據(jù)機(jī)器人與環(huán)境的交互實(shí)時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)方式進(jìn)行調(diào)整的CPG協(xié)調(diào)控制機(jī)制，通過(guò)機(jī)器人肢體間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人雙足的穩(wěn)定交替運(yùn)動(dòng)。結(jié)合CPG交互控制

7、、機(jī)器人多關(guān)節(jié)、肢體協(xié)調(diào)控制，提出了一種能夠完整地模擬生物CPG的運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)調(diào)功能，獨(dú)立地控制雙足機(jī)器人在矢狀面內(nèi)生成穩(wěn)定、適應(yīng)、協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)多層CPG控制方法。以雙足多關(guān)節(jié)機(jī)器人為被控對(duì)象，在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)此控制方法的穩(wěn)定性、適應(yīng)性與協(xié)調(diào)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　選擇四足機(jī)器人作為多層CPG控制方法的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，根據(jù)四足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特征，提出了四足機(jī)器人的簡(jiǎn)化控制方法；通過(guò)四足機(jī)器人控制機(jī)制的簡(jiǎn)化與偏擺、旋轉(zhuǎn)等