[发明专利]一种仿鱼游动机器人运动控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于机电一体化领域，涉及多关节仿鱼游动机器人的水下运动控制方法，属于机电一体化领域。

背景技术

常见的机器人运动控制方法主要有三种，一种是基于模型的方法：采用精确建模-最佳运动轨迹规划-反馈机制控制的思路，使机器人运动尽可能趋近理想轨迹；一种是基于行为的方法：采用感知-反射的控制思路，将一些漫无目的的局部动作合成有意义的生物行为，运动简单、灵活；还有一种是基于生物的控制方法，模拟自然界中动物最常见的节律运动。基于模型的控制方法比较复杂，基于行为的方法映射最直接，其智能水平取决于“基本能力”的多少，但“基本能力”一般不可修改；而生物控制方法能够协调多个运动自由度，根据接收的指令准确反应，并且具有经历自然界考验的复杂环境适应机制。随着工程技术的发展，生物控制方法中的基于中枢模式发生器(Central Pattern generator，CPG)越来越受到研究人员的关注。国内外将CPG应用于机器人控制中的有：日本九州工业大学采用的Matsuoka和Kimura模型应用于具有12个自由度的四足机器人在地面上的行走。中科院沈阳自动化研究所提出了采用循环抑制连接方式构成的CPG模型，应用在蛇形机器人上；L.O.Chua和Yang提出的CNN模型，用来组建大规模模拟信号处理系统；Ijspeert等人针对火蜥蜴的爬行和游泳双模运动，提出了由体CPG和肢CPG组成的耦合非线性振荡器模型。现有技术多立足于特定的仿生对象，CPG模型网络结构与仿生对象密切相关，而对多关节仿鱼游动机器人的仿生控制研究较少，本发明就是在此基础上提出了一种新的CPG模型网络结构，用来实现多关节仿鱼游动机器人的仿生运动控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CPG模型的多关节仿鱼游动机器人水下运动控制装置及方法，以解决一种由胸鳍和尾部构成的仿鱼游动机器人在水下的运动控制。该方法充分利用机器人尾部和胸鳍协调推进的特点，提出了由尾部CPG和胸鳍CPG构成的CPG网络模型，包括模型的结构框架和非线性振荡器间的耦合关系。利用该CPG模型，能够实现仿鱼游动机器人的水下运动控制。

为达到上述目的，本发明的一种仿鱼游动机器人运动控制装置，技术解决方案是：包含仿鱼游动机器人的左胸鳍、右胸鳍和多个尾部摆动关节，左胸鳍、右胸鳍位于头部左右两侧，还具有：

多个CPG单元，包括：左胸鳍CPG单元、右胸鳍CPG单元和多个关节CPG单元；

多个模块化仿鱼推进的关节J_N构成机器人的尾部；

一饱和函数单元接收外部输入激励信号在线计算处理生成各个CPG单元的控制信号；

所述左胸鳍CPG单元和所述右胸鳍CPG单元分别固设于左胸鳍、右胸鳍上，所述左胸鳍CPG单元和右胸鳍CPG单元与饱和函数单元连接，在控制信号的控制下左胸鳍CPG单元和右胸鳍CPG单元控制左胸鳍和右胸鳍运动；

所述多个关节J_N依仿鱼游动机器人的纵轴方向及头部的一端顺序设置多个关节；并且多个关节J_N间相互动连接，在每个关节上设有一对关节CPG单元，所有的关节CPG单元在控制信号的作用下运动，实现仿鱼机器人的游动；

所述多个关节CPG单元分别与左胸鳍CPG单元和右胸鳍CPG单元之间连接，多个关节CPG单元向胸鳍CPG单元提供耦合权值和相位差，实现该关节的仿生控制。

优选地，所述多个关节J_N的数量，是根据仿鱼游动机器人身体结构特征调整关节的数量。

优选地，所述每个关节CPG单元设有一对关节振荡器，所述一对关节振荡器之间的相位差设定为π；每对关节振荡器分别对应于该关节运动的屈肌和伸肌，每对关节振荡器根据它们之间的耦合权值和相位差相互抑制，实现该关节的仿生控制。每个关节振荡器所采用的振荡器数学模型如下所示：