一种仿河狸机器人的CPG网络拓扑结构控制方法技术

本发明专利技术属于仿生两栖机器人领域。目的是提供一种可产生多种步态的CPG控制网络拓扑结构控制方法，使机器人运动具有不同的特点，以执行爬行、左转爬行、右转爬行、倒退爬行、直行游动、左转游动、右转游动、上浮及下潜9种步态。技术方案是：一种仿河狸机器人的CPG网络拓扑结构控制方法，依照如下步骤进行：1)每个关节对应一个振荡器；2)所有振荡器组成一个多耦合模式CPG网络拓扑结构；3)每个振荡器对于对应关节的电机输出信号，该输出信号先通过映射函数转化为关节角控制信号；4)各关节的电机均由相应映射函数转化的关节角控制信号进行控制。

【技术实现步骤摘要】
一种仿河狸机器人的CPG网络拓扑结构控制方法
本专利技术属于仿生两栖机器人领域，特别涉及用于仿河狸的两栖机器人多种步态协调运动控制。
技术介绍
近年来，海洋与陆地衔接的浅滩区域越来越受到科学考察、环境监测、海底资源勘测与开发等领域的关注，进而推动了适用于浅滩作业的机器人技术发展。浅海带阳光充足，植物茂盛，富含丰富的珊瑚礁，各种底栖、浮游生物大量繁殖，其种类和数量大大超过其它海域，传统螺旋桨式水下机器人的运动受其干扰容易出现故障，在低速状态下难以实现机动、非稳定流环境下推进效率较低。因此，具有仿生两栖作业能力的新型机器人对于民用和军用都有重要的意义。仿生控制方法从上个世纪末开始得到了快速的发展，迄今为止人们已建立了多种类型的CPG(centralpatterngenerator)——中枢神经发生器模型，在机器人领域，CPG大多采用耦合的非线性振荡器来实现。由于CPG网络是由神经元以不同的方式连接和组合，因此很容易构建振荡器与机器人关节之间的映射关系。当机器人的关节增加或减少时，可在原始CPG网络的相应节点增加或减少神经元来实现。CPG模型的最基本构成单元是振荡器，而振荡器是以耦合非线性振子为基础建立的数学模型，每个振荡器代表一个非线性振子中心的振荡活性，多数CPG模型是在耦合非线性振荡器数学模型基础上建立的，建立这些CPG模型的主要目的不在于解释节律的产生机理，研究焦点一般放在系统节律输出多样性、CPG网络拓扑结构、耦合关系、同步、相位滞后等问题上。在CPG对两栖机器人的控制领域，由于两栖运动控制的复杂度，以及水下恶劣的环境，使得国内少有对这方面的研究。同时，涉及到两栖的多种步态如：陆地上的行走步态、转弯步态、后退步态、水下的游动步态、上浮下潜步态以及转弯步态，这些多种步态使得两栖机器人领域的研究进展缓慢。而基于此，设计出一种可以生成多种步态的控制方法是目前的重中之重。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述
技术介绍
中的不足，提供了一种可产生多种步态的CPG控制网络拓扑结构控制方法，使机器人运动具有不同的特点，以执行爬行、左转爬行、右转爬行、倒退爬行、直行游动、左转游动、右转游动、上浮及下潜9种步态。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种仿河狸机器人，其特征在于：该仿河狸机器人包括连接主躯干的两个前肢、两个带有脚蹼的后肢、尾巴以及设置在主躯干内的浮力装置；前肢拥有前肢髋外摆关节、前肢髋旋转关节和前肢膝旋转关节共3个关节，后肢拥有后肢髋外摆关节、后肢髋旋转关节、后肢膝旋转关节、后肢腿旋转关节以及后肢踝旋转关节共5个关节，尾巴拥有1个上下摆动关节，每个关节均由一电机驱动。所述浮力装置为通过电机驱动的直线机构可前后移动地定位在主躯干上的浮力块或者重力块，以通过前后移动浮力装置的方式调节机器人的浮心，从而改变机器人的游动姿态。所述通过前后移动浮力装置的方式包括：浮力装置是浮力块时：则浮力块向前移动时浮心向头部移动，头部抬起，身体受力方向斜向往上，游动方向向上，实现上浮；向后移动浮力块时，头部下沉，身体受力方向斜向往下，游动方向向下，实现下潜；浮力装置是重力块时：则向前移动重力块时，头部下沉，身体受力方向向斜向下，游动方向向下，实现下潜；向后移动浮力块时，头部抬起，身体受力方向向斜向上，游动方向向上，实现上浮。所述仿河狸机器人的CPG网络拓扑结构控制方法，依照如下步骤进行：1)每个关节对应一个振荡器；2)所有振荡器组成一个多耦合模式CPG网络拓扑结构；3)每个振荡器对于对应关节的电机输出信号，该输出信号先通过映射函数转化为关节角控制信号；4)各关节的电机均由相应映射函数转化的关节角控制信号进行控制；5)所述振荡器输出信号的数学表达式为：式中：i表示振荡器序号，x,y为系统状态变量；μ决定了振荡器极限环的幅值，参数α为收敛因子，控制振荡器的输出收敛至极限环的速度，ωri和ωdi分别为关节曲线上升沿和下降沿的频率，β为上升沿和下降沿频率的比例，ω为正值，用于控制振荡器频率；xi作为振荡器关节角度的输出信号。所述多耦合模式CPG网络拓扑结构的模型是：其中，i，j表示第i，j号振荡器，F(xi)为振荡器的常规方程，为i号振荡器和j号振荡器之间的相位差，为权重矩阵，通过相位差调节不同步态。各映射函数的控制信号的生成过程是：由振荡器先生成正弦信号，然后通过映射函数转化为控制信号来控制对应关节的电机。所述步骤1)每个关节对应的振荡器是：前肢和右前肢的髋外摆关节，髋旋转关节，膝旋转关节各自对应一个振荡器，且分别通过三个映射函数控制；后肢髋外摆和髋旋转关节对应一个振荡器，膝旋转关节对应一个振荡器，踝旋转关节和指关节对应一个振荡器，通过两个映射函数控制；尾巴摆动关节对应一个振荡器，通过一个映射函数控制；浮力调节装置对应一个振荡器，通过一个映射函数控制。所述步骤2)中的多耦合模式CPG网络拓扑结构包括；对应于前肢、后肢以及尾巴的各个振荡器组成了相互耦合的网状拓扑结构；而对应于前肢、后肢的各个振荡器又同样与浮力调节装置对应的振荡器组成了相互耦合的网状拓扑结构；对应于每个后肢的各个振荡器还组成了前后耦合的链式拓扑结构。所述步骤5)振荡器输出信号的数学表达式中的相关参数的取值方法是：通过整定CPG参数，利用仿生，通过分析河狸运动视频的关节角，将角度拟合为周期曲线，根据周期曲线的周期选取，根据最大值和最小值的差值确定幅度μ，根据最大值移动到最小值的时间确定，根据最小值移动到最大值的时间确定。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提出的仿河狸机器人结构拥有四肢(两个前肢各3个关节，两个后肢各5个关节)、尾巴以及浮力调节装置，可以实现陆地行走及水下游动。2、本专利技术中的浮力调节装置可通过电机控制的直线机构(如直线轴承)前后移动以调节身体的浮心，分别获得头部抬起—实现上浮、尾部抬起—实现下沉的效果。3、浮力调节装置虽不是仿生关节，但是本专利技术将浮力调节装置视为影响机器人姿态的关节，用CPG振荡器的输出作为电机驱动角度；解决了通常内部装置需要单独控制的缺陷，降低了控制复杂度。4、本专利技术提出的仿河狸机器人CPG网络拓扑结构，这种仿河狸的CPG网络可以使机器人运动具有不同的特点可以实现执行爬行、左转爬行、右转爬行、倒退爬行、直行游动、左转游动、右转游动、上浮及下潜9种步态。同时该CPG网络模型在控制中并非需要控制所有的振荡器，在不同步态下，有些振荡器没有输出信号可以使其归零，生成CPG子结构，降低了控制复杂度。5、本专利技术提出了一种基于仿生的CPG参数整定的方法，通过视频分析运动重构步态，解决了CPG参数整定难的缺陷。附图说明图1为仿河狸机器人的结构简图。图2为仿河狸机器人CPG网络拓扑结构建立过程示意图。图3为多种步态下的CPG子结构图。图4为CPG参数整定步骤图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿河狸机器人，其特征在于：该仿河狸机器人包括连接主躯干的两个前肢、两个带有脚蹼的后肢、尾巴以及设置在主躯干内的浮力装置(20)，前肢拥有前肢髋外摆关节(11)、前肢髋旋转关节(12)和前肢膝旋转关节(13)共3个关节，后肢拥有后肢髋外摆关节(14)、后肢髋旋转关节(15)、后肢膝旋转关节(16)、后肢腿旋转关节(17)以及后肢踝旋转关节(18)共5个关节，尾巴拥有1个上下摆动关节(19)，每个关节均由一电机驱动。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿河狸机器人，其特征在于：该仿河狸机器人包括连接主躯干的两个前肢、两个带有脚蹼的后肢、尾巴以及设置在主躯干内的浮力装置(20)，前肢拥有前肢髋外摆关节(11)、前肢髋旋转关节(12)和前肢膝旋转关节(13)共3个关节，后肢拥有后肢髋外摆关节(14)、后肢髋旋转关节(15)、后肢膝旋转关节(16)、后肢腿旋转关节(17)以及后肢踝旋转关节(18)共5个关节，尾巴拥有1个上下摆动关节(19)，每个关节均由一电机驱动。


2.根据权利要求1所述的仿河狸机器人，其特征在于：所述浮力装置为通过电机驱动的直线机构可前后移动地定位在主躯干上的浮力块或者重力块，以通过前后移动浮力装置的方式调节机器人的浮心，从而改变机器人的游动姿态。


3.根据权利要求2所述的仿河狸机器人，其特征在于：所述通过前后移动浮力装置的方式包括：
浮力装置是浮力块时：则浮力块向前移动时浮心向头部移动，头部抬起，身体受力方向斜向往上，游动方向向上，实现上浮；向后移动浮力块时，头部下沉，身体受力方向斜向往下，游动方向向下，实现下潜；
浮力装置是重力块时：则向前移动重力块时，头部下沉，身体受力方向向斜向下，游动方向向下，实现下潜；向后移动浮力块时，头部抬起，身体受力方向向斜向上，游动方向向上，实现上浮。


4.权利要求1所述仿河狸机器人的CPG网络拓扑结构控制方法，依照如下步骤进行：
1)每个关节对应一个振荡器；
2)所有振荡器组成一个多耦合模式CPG网络拓扑结构；
3)每个振荡器对于对应关节的电机输出信号，该输出信号先通过映射函数转化为关节角控制信号；
4)各关节的电机均由相应映射函数转化的关节角控制信号进行控制；
5)所述振荡器输出信号的数学表达式为：



式中：i表示振荡器序号，x,y为系统状态变量；μ决定了振荡器极限环的幅值，参数α为收敛因子，控制振荡器的输出收敛至极限环的速度，ωri和ωdi分别为关节曲线上升沿和下降沿的频率，β为上升沿和下降沿频率的比例，ω为正值，用于控制振荡...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，遆肖聪，卢裕旺，杨鑫，屠嘉骏，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33