[发明专利]一种机器人节律发生系统的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生及其人运动控制技术领域，具体涉及一种机器人节律发生系统的构建方法。

背景技术

对于足式机器人的多足协调控制，主要有两种方法：基于模型的方法和基于行为的方法。基于模型的方法是一种传统的足式机器人运动控制方法，它以常规的运动规划为主，机器人的运动受到环境影响的制约，适合于进行姿势控制、静态行走；基于行为的运动控制方法以美国MIT的布鲁克斯（Brooks）为首的研究人员所研发的足式机器人为代表，这种方法将生物基本行为中存在一些局部条件反射单元作为足式机器人运动控制的主要依据，侧重于对及其人底层实行局部控制，是一种简单的生物反射运动。总的来说，上述方法经管在一定程度上实现了机器人的运动，但由于受其控制系统结构和所采用的控制方法的制约，在灵活性、稳定性和适应性上与动物的具有高度稳定和适应性的节律运动相比尚有差距。

具有多足的动物，如狗、猫等， 其行动具有鲜明的节律，仿生学中称为步态。机器人的手足运动大多模仿动物的运动节律。以四足机器人为例，在实现方面通常每只腿使用由3个电机控制的三个自由度，形成前后，上下和里外三个方向的运动。4只腿则需要12个电机控制12个自由度。如何使得这12个电机产生相互协调的运动发生节律，达到机器人如真实的动物般自如、协调地使用不同的步态，以不同的速度行动，是机器人学界一个共同关心的研究课题。现有的研究主要使用数学的微分方程，构建耦合振子的方法来用计算机模拟多关节的协调运动。但该方法具有实现困难等问题。而近年采用电路实现的节律发生器基本采用非常简化的方法，即每个腿仅仅使用一个自由度。这也带来一个难以模仿真实动物行走等难题。

如上所述，现有的机器人运动节律发生算法大多基于精确的数学模型，算法较复杂，用数字或模拟硬件电路实现比较困难。而在计算机上采用软件仿真实现，则需将通用计算设备和机器人连接，存在机器人无法脱机行动，或机器人背负装置过重等等问题，进而提高机器人的成本。使用硬件实现的运动节律发生器则大多简化了数学模型，常用的方法就是仅使用一个自由度来代表一条腿的若干个自由度。显然，这种办法无法真正做到让机器人模仿动物的复杂行动。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的上述技术问题，首次提出了振子积木块这一技术概念，采用此技术构建机器人节律发生系统，我们可以像搭积木一样，非常方便地构建4足12个自由度，或6足18个自由度，乃至n足3*n个自由度的多足机器人运动节律发生器，从而达到协调地控制多足机器人各种步态的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种机器人节律发生系统的构建方法，包括若干个自由度和若干个振子模型，所述的每个自由度对应一个振子模型；所述各个自由度的相位关系与振子模型间的相位关系相对应。

进一步，包括如下步骤：（1）预设一个节点图，所述节点图中每个节点间最多存在一个带方向的连接；所述节点由活动节点和抑制节点组成；所述的节点图有不同的状态。（2）将上一步的节点图进行扩展，使节点图中每个节点间可以存在若干个带各自不同方向的连接。（3）将上述的扩展用数学方法加以概括，设有二个节点， 和，该二个节点由若干资源互联且同属一个集合，。 它们的逆转参数分别设为和。我们有如下的规则选取资源的数目及其指向。

进一步，还包括最大公约数gcd和二个相连节点和间的资源数目，所述的数学方法为， ，所述的 为二个最大公约数的倍数之和，此二个数值分别不超过从节点指向的资源数，和从节点指向的资源数。

进一步，二个节点通过二个资源互联，有三个状态，并且构成一个循环，在三个状态的循环中，节点）会在二个连续状态里成为活动节点，而节点只在一个状态里成为活动节点。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、 本发明基于一个简单但已经数学论证的并行算法，提出了构建机器人节律发生器的方法，该方法简单、易实现；

2、 本发明根据任意机器人的任意自由度设计要求，本技术方案的振子积木块模型参数可以进行相应的初始化，然后满足该自由度的设计要求；

3、 本发明具有模块化和系统化的特点，可以用来实现具有任意多自由度的机器人的运动节律发生方案，而不会增加设计复杂度；

4、 本发明可以快速构建机器人全部运动关节的动态特性和相位关系，在应用中可随时对特定的运动部件进行修改更新，不会对其他运动部件产生影响，各个运动关节间相互独立；