一种四足机器人的CPG控制系统及其参数整定方法技术方案

本发明专利技术涉及一种四足机器人的CPG控制系统及其参数整定方法，该系统包括对应控制四足机器人髋关节的四个振荡器单元，振荡器单元之间连接形成单向环形网络结构、连接方式为时滞耦合，振荡器单元在时滞作用下，基于自发对称性破缺机制实现多种稳定的相位差，通过非线性动力学分析，以进行CPG控制系统的参数整定，从而实现四足机器人的多种步态模式及其切换，所述多种步态模式包括四足跳跃、侧序行走、双足跳跃、对角序行走、踱步以及对角小跑。与现有技术相比，本发明专利技术的系统结构简单、工程上易实施；参数整定方法可靠，单个时滞参数在节律区域间切换，即可实现步态模式的改变；在给定的节律区域内部，步态模式不会随参数的改变而变化，有效保证鲁棒性。效保证鲁棒性。效保证鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种四足机器人的CPG控制系统及其参数整定方法


[0001]本专利技术涉及仿生机器人
，尤其是涉及一种四足机器人的CPG控制系统及其参数整定方法。

技术介绍

[0002]仿生控制的研究对于机器人技术的进展有着重大的意义，近年来，模拟生物中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)的仿生控制已经成为仿生控制领域的研究热点之一。CPG能够在缺乏高层控制信号和外部反馈的情况下，自发产生稳定的节律性运动，这一运动具有易被高层命令调节、耦合性强、适应性强、结构简单等优点，可以减少控制系统的工作量、节约工作时间。
[0003]随着四足机器人的发展和近年来人工智能的兴起，使得机器人拥有自主性和智能性已经成为四足机器人研究的重要组成部分，四足机器人逐渐拥有了感知环境、自主规划和环境交互的能力，研究者也更多地着眼于提高机器人的自主适应性和功能性。目前，四足机器人大多可以通过控制算法实现各种运动步态、并能够完成简单任务，在四足机器人步态控制领域，CPG是最为简单的控制方法之一，通过构建合适的节律控制器，将四足机器人的每一条腿都分配一个控制器，使机器人按照一定的时序进行运动，这种方法虽然能够实现四足机器人的步态运动，但还存在以下的主要不足：(1)所提出的CPG结构单元必须为二维及以上的振子模型，网络结构多采用四振荡器单元的全连接，这导致整个CPG系统的维数高，计算复杂度提升；(2)没有给出参数整定的一般的、统一的动力学分析方法，只能基于机器人特定的运动模式，采用试凑法或者优化计算的方法，给出一组或几组固定的参数值，实际工程实现较为复杂，也无法保证系统的可调节性和控制系统的鲁棒性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种四足机器人的CPG控制系统及其参数整定方法，能够实现一种结构简单的控制系统，且能提高步态模式的调控性能以及控制系统的鲁棒性。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种四足机器人的CPG控制系统，包括用于对应控制四足机器人髋关节的四个振荡器单元，所述四个振荡器单元之间连接形成单向环形网络结构，所述振荡器单元之间的连接方式为时滞耦合，所述振荡器单元在时滞的作用下，基于自发对称性破缺机制实现多种稳定的相位差，通过非线性动力学分析，以进行CPG控制系统的参数整定，从而实现四足机器人的多种步态模式及其切换，所述多种步态模式包括四足跳跃(Pronk)、侧序行走(L
‑
S walk)、双足跳跃(Bound)、对角序行走(D
‑
S walk)、踱步(Pace)以及对角小跑(Trot)。
[0006]进一步地，所述单向环形网络结构具体为单一环形网络，以实现四种步态模式，所述四种步态模式分为三种情况：
[0007]a、四足跳跃、侧序行走、对角序行走以及双足跳跃；
[0008]b、四足跳跃、侧序行走、对角序行走以及踱步；
[0009]c、四足跳跃、侧序行走、对角序行走以及对角小跑。
[0010]进一步地，所述单向环形网络结构具体为三种单一环形网络的叠加，以全部实现六种步态模式。
[0011]进一步地，所述振荡器单元之间采用非线性时滞耦合函数或线性时滞耦合函数进行连接。
[0012]进一步地，所述振荡器单元采用具有周期节律信号的振子模型。
[0013]进一步地，所述振荡器单元采用不具有周期节律信号的节点模型。
[0014]进一步地，所述四个振荡器单元采用的模型及其耦合函数均相同，以使得CPG控制系统具有对称性。
[0015]进一步地，所述非线性动力学分析具体为Hopf分岔分析，基于Hopf分岔理论，CPG控制系统在时滞的作用下，能够产生周期节律的稳定性切换。
[0016]进一步地，所述周期节律所对应的参数区域，基于对称破缺机制能够产生稳定的相位差，即为步态模式的参数区域。
[0017]一种四足机器人的CPG控制系统参数整定方法，包括以下步骤：
[0018]S1、对时滞耦合的非线性系统进行平衡点附近的线性化处理，得到相应的线性系统以及对应的特征方程；
[0019]S2、假设特征方程具有零实部的一对纯虚根，将假设的纯虚根带入特征方程，分离实部、虚部，得到实部和虚部两个方程，再根据三角函数关系，得到周期节律所对应的代数方程；
[0020]S3、计算代数方程，得到相应的频率值，回代入实部和虚部两个方程，计算出临界时滞值；
[0021]S4、验证临界时滞所确定的参数平面，在区域内任取一值，通过数值方法验证所在区域为节律模式或静息态模式，节律模式区域和静息态模式区域交替出现，相应的节律模式区域依次分布着四足跳跃(Pronk)、侧序行走(L
‑
S walk)、双足跳跃(Bound)、对角序行走(D
‑
S walk)模式；
[0022]通过调整网络拓扑结构，双足跳跃(Bound)的参数区域能够进一步实现踱步(Pace)以及对角小跑(Trot)模式。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0024]一、本专利技术针对四足机器人步态模式中的相位关系，基于自发对称破缺机制实现多种稳定的相位差，提出单向环形时滞耦合的CPG四足机器人步态控制系统，包括四个振荡器单元、单元之间采用单向环形网络拓扑结构，其网络结构简单，每个振子可以只用一个变量表达的节点模型，工程上易实施，并且通过非线性动力学分析，确定不同步态模式下的参数区域，即可实现四足机器人的多种步态模式及其切换。
[0025]二、针对本专利技术提出的CPG步态控制系统，本专利技术还提出参数整定的一般的、统一的动力学分析方法，该参数整定方法简单易行，对控制系统的非线性动力学分析，即可给出不同步态模式所对应的参数区域，步态模式的调控简单，单个时滞参数在节律区域间切换，即可实现步态模式的改变，并且一个参数区域内只存在一个步态模式，在给定的节律区域内部，步态模式不会随参数的改变而变化，使得控制系统具有很好的鲁棒性。
附图说明
[0026]图1a为本专利技术四足机器人CPG的第一种单向环形网络结构示意图；
[0027]图1b为本专利技术四足机器人CPG的第二种单向环形网络结构示意图；
[0028]图1c为本专利技术四足机器人CPG的第三种单向环形网络结构示意图；
[0029]图1d为本专利技术四足机器人CPG的三种单向环形网络叠加结构示意图；
[0030]图2为实施例中不同步态模式所对应的参数区域；
[0031]图3为实施例中四足机器人四足跳跃(Pronk)步态模式时的CPG控制信号输出示意图；
[0032]图4为实施例中四足机器人侧序行走(L
‑
S walk)步态模式时的CPG控制信号输出示意图；
[0033]图5为实施例中四足机器人双足跳跃(Bound)步态模式时的CPG控制信号输出示意图；
[0034]图6为实施例中四足机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人的CPG控制系统，其特征在于，包括用于对应控制四足机器人髋关节的四个振荡器单元，所述四个振荡器单元之间连接形成单向环形网络结构，所述振荡器单元之间的连接方式为时滞耦合，所述振荡器单元在时滞的作用下，基于自发对称性破缺机制实现多种稳定的相位差，通过非线性动力学分析，以进行CPG控制系统的参数整定，从而实现四足机器人的多种步态模式及其切换，所述多种步态模式包括四足跳跃、侧序行走、双足跳跃、对角序行走、踱步以及对角小跑。2.根据权利要求1所述的一种四足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述单向环形网络结构具体为单一环形网络，以实现四种步态模式，所述四种步态模式分为三种情况：a、四足跳跃、侧序行走、对角序行走以及双足跳跃；b、四足跳跃、侧序行走、对角序行走以及踱步；c、四足跳跃、侧序行走、对角序行走以及对角小跑。3.根据权利要求2所述的一种四足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述单向环形网络结构具体为三种单一环形网络的叠加，以全部实现六种步态模式。4.根据权利要求1所述的一种四足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述振荡器单元之间采用非线性时滞耦合函数或线性时滞耦合函数进行连接。5.根据权利要求1所述的一种四足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述振荡器单元采用具有周期节律信号的振子模型。6.根据权利要求1所述的一种四足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述振荡器单元采用不具有周期节律信号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋自根，徐鉴，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：