[发明专利]一种分层CPG及在仿人机器人行走控制中的应用

说明书

本发明涉及一种分层CPG及在仿人机器人行走控制中的应用，分层CPG被动地由外界传感信息激发生成加载有运动模式的运动时序信号，包括节律发生器层和模式发生器层，不同的传感信息通过不同的反馈路径传送到相应层，节律发生器层根据传感信息产生基于节律信号，模式发生器层根据传感信息产生运动模式控制信号；分层CPG在仿人机器人行走控制中的应用具体为：在机器人的工作空间规划重心轨迹和脚掌轨迹，利用分层CPG输出加载有运动模式的双腿时序信号，进行质心轨迹和脚掌轨迹调制，将调制后的工作空间进行逆运动学计算，利用运动引擎，将工作空间的适应性映射到关节空间。与现有技术相比，本发明具有调控实时性高、工程复杂度低等优点。

技术领域

本发明涉及仿生控制技术领域，尤其是涉及一种分层CPG及在仿人机器人行走控制中的应用。

背景技术

目前在工程应用方面CPG(Central Pattern Generator，中枢模式发生器)控制的思路一般是在CPG模型基础上增加反馈项，建立神经元之间的连接关系，以达到产生多模式的目的，但同时也存在着制约应用有效性的缺陷：(1)不能很好地解释节律运动的产生机理，运动模式较为单一；(2)单层CPG结构一般通过改变突触的耦联方式或连接强度来改变或实现多模式状态，不考虑如何处理运动神经元的作用强度和作用时间；(3)调节运动的传感信息不易接入，反馈信息接入模型的方式往往通过试凑，且反馈信息往往仅对节律运动的周期和幅值进行调节，对环境变化的响应不够全面和快速。

对于仿人机器人这种复杂的系统，CPG模型并不具备很强的实用性，目前的研究也多停留在模拟仿真阶段，或者仅仅是对机器人某些关节的节律运动进行控制。

发明内容

本发明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分层CPG及在仿人机器人行走控制中的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分层CPG，被动地由外界传感信息激发生成加载有运动模式的运动时序信号，包括节律发生器层和模式发生器层，不同的传感信息通过不同的反馈路径传送到相应层，所述节律发生器层根据传感信息产生基于节律信号，所述模式发生器层根据传感信息产生运动模式控制信号。

本发明还提供一种基于所述的分层CPG的仿人机器人工作空间行走控制方法， 该方法在机器人的工作空间规划重心轨迹和脚掌轨迹，利用所述分层CPG输出加载有运动模式的双腿时序信号，根据该双腿时序信号进行质心轨迹调制和脚掌轨迹调制，将调制后的工作空间进行逆运动学计算，利用运动引擎，将工作空间的适应性映射到关节空间。

进一步地，所述分层CPG中的节律发生器层包括第一节律单元和第二节律单元，所述第一节律单元和第二节律单元通过抑制与刺激性连接保持相互之间相位的相反。

进一步地，所述节律发生器层包括4个神经元，分别表示为β_1A,β_2A,β_3B和β_4B，分别对应腿A伸肌、腿A屈肌、腿B伸肌和腿B屈肌，β_1A和β_3B之间抑制性连接，β_1A和β_3B分别对β_4B和β_2A刺激性连接。

进一步地，所述分层CPG中的模式发生器层包括4个神经元，分别表示为γ_A,θ_A,γ_B和θ_B，分别对应腿A伸肌、腿A屈肌、腿B伸肌和腿B屈肌。

进一步地，所述分层CPG中引入的外界传感信息包括机器人自身状态信息以及机器人与环境的交互状态信息。

进一步地，所述节律发生器层根据机器人与环境的交互状态信息决定运动相位为摆动相或着地相。

进一步地，所述模式发生器层根据机器人自身状态信息判定机器人处于平面运动模式或坡面运动模式。