基于多層CPG的足式機器人運動控制研究.pdf

1、由于足式機器人是一個多自由度、強非線性、多冗余的機械系統(tǒng)，其在未知、復雜環(huán)境中的運動控制一直是機器人研究領域的重點與難點之一。而自然界中生物的中樞模式發(fā)生器（CPG）可在無高層中樞參與的情況下，利用多傳感信息，控制生物實現(xiàn)與環(huán)境的交互以及關節(jié)與肢體的協(xié)調，從而控制生物在復雜、未知的環(huán)境中運動，且其運動表現(xiàn)出很強的穩(wěn)定性、適應性與協(xié)調性。因此，模擬生物CPG控制機制，建立足式機器人運動控制方法，是解決足式機器人在未知、復雜環(huán)境中的運動控制

2、問題的有效途徑之一。然而，現(xiàn)有的CPG仿生運動控制方法尚缺乏對于生物CPG控制機制的完整模擬，大多僅單獨對機器人與環(huán)境的交互，機器人關節(jié)的協(xié)調或機器人肢體的協(xié)調進行研究，且存在神經元響應速度較慢，機器人與環(huán)境的交互受到傳感信息的調節(jié)作用較少，較難同時協(xié)調機器人的多關節(jié)與肢體，較難根據(jù)機器人運動狀態(tài)實時調整運動協(xié)調方式等問題，在未知、復雜環(huán)境中的穩(wěn)定性、適應性與協(xié)調性較差。
　　針對上述問題，本文對能夠完整模擬生物運動控制機制的多層

3、CPG運動控制方法展開研究，同時對生物CPG的多層神經網(wǎng)絡結構、生物與環(huán)境的交互運動控制機制及生物CPG對多關節(jié)與多肢體的協(xié)調控制進行模擬，建立一種完整的仿生控制結構，使其能夠在未知、復雜環(huán)境中，獨立地完成足式機器人的運動控制，且其運動具有穩(wěn)定性、對環(huán)境變化的適應性及多關節(jié)、肢體的協(xié)調性。具體研究內容主要包括以下幾個方面：
　　針對現(xiàn)有的CPG中間神經元模型響應速度較慢、運動神經元的輸出缺乏在線調節(jié)的問題，模擬生物神經元的響應特性

4、，利用 Hopfield模型建立了中間神經元模型，實現(xiàn)了神經元對傳感信息的快速響應；模擬生物神經-肌肉系統(tǒng)的工作原理，建立運動神經元模型，實現(xiàn)了機器人關節(jié)運動軌跡的實時、在線調節(jié)。在此基礎上，針對現(xiàn)有的CPG控制方法所生成的運動形式較為單一、缺乏傳感信息調控等問題，結合中間神經元與運動神經元模型，模擬生物CPG傳感信息分層接收與運動命令分層執(zhí)行的控制機制，提出并建立了一種多層CPG神經網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)了機器人關節(jié)的穩(wěn)定節(jié)律運動控制。通過對

5、比實驗，對此神經網(wǎng)絡模型的快速性、穩(wěn)定性進行了驗證。
　　以矢狀面內機器人單足的運動為研究對象，對機器人與環(huán)境的交互方式進行了分析，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神經網(wǎng)絡的中間神經元層及運動神經元層中引入多傳感信息，通過多傳感信息對機器人運動節(jié)律、模式、關節(jié)軌跡的實時調整，實現(xiàn)了機器人、CPG控制機制與環(huán)境三者之間的閉環(huán)、穩(wěn)定交互。在單足跳躍機器人實驗平臺上，對此交互控制方法的穩(wěn)定性、適應性進

6、行了實驗驗證，并與生物實驗結果進行了對比。
　　模擬生物協(xié)調機制，通過中間神經元延時環(huán)節(jié)的加入與傳感信息對各關節(jié)運動神經元的調節(jié)，提出并建立了機器人肢體內多關節(jié)的協(xié)調控制方法，提高了機器人的前進速度、跳躍高度等運動性能；在關節(jié)間協(xié)調機制的基礎上，提出了一種能夠同時協(xié)調機器人多關節(jié)與多肢體，且能夠根據(jù)機器人與環(huán)境的交互實時對協(xié)調方式進行調整的CPG協(xié)調控制機制，通過機器人肢體間的協(xié)作實現(xiàn)了機器人雙足的穩(wěn)定交替運動。結合CPG交互控制

7、、機器人多關節(jié)、肢體協(xié)調控制，提出了一種能夠完整地模擬生物CPG的運動控制與協(xié)調功能，獨立地控制雙足機器人在矢狀面內生成穩(wěn)定、適應、協(xié)調的運動多層CPG控制方法。以雙足多關節(jié)機器人為被控對象，在仿真實驗平臺上對此控制方法的穩(wěn)定性、適應性與協(xié)調性進行了實驗驗證。
　　選擇四足機器人作為多層CPG控制方法的應用與實驗驗證平臺，根據(jù)四足機器人的機械結構與運動特征，提出了四足機器人的簡化控制方法；通過四足機器人控制機制的簡化與偏擺、旋轉等