[发明专利]基于CPG的脊柱型多足机器人及其仿生运动控制方法

权利要求书

1.一种基于CPG的脊柱型多足机器人，其特征在于，包括控制系统、处于中部位置的主动偏航脊柱关节(05)以及若干条对称地布置在主动偏航脊柱关节(05)两侧的机器人腿，且主动偏航脊柱关节(05)的每侧至少具有两条机器人腿，每一条机器人腿均具有腿关节，腿关节包括髋关节、膝关节；控制系统针对主动偏航脊柱关节(05)以及每一条机器人腿分别配置一个CPG振荡器，各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络，该CPG网络能够输出具有固定相位差的周期相位信号；控制系统能够将CPG网络中各CPG振荡器输出的节律信号转换成关节运动轨迹控制信号，并根据各关节运动轨迹控制信号自动控制相应关节活动，同时能

够将对应的各关节的位置信号反馈至控制系统，控制系统根据所接收到的各关节的位置信号，调整脊柱、腿关节的运动轨迹控制信号，协调机器人的脊柱、腿运动；

CPG振荡器采用Kuramoto模型建立而成，表达为：

其中，i、j代表第i、j个CPG振荡器，φi表示第i个CPG振荡器输出的节律信号，ω表示振荡器频率，k_ij 表示第i、j个CPG振荡器之间的耦合系数，Δij表示第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差；

控制系统通过改变第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差Δij来改变第i、j膝关节间的相位关系，改变Ah、Ak、As来改变关节摆动幅度，改变振荡器周期T和振荡器频率ω来改变运动速度；

控制系统通过函数映射部分对CPG网络输出的周期相位信号进行函数变换，先将其映射为机器人脊柱关节、髋关节的运动轨迹控制信号，再把髋关节运动轨迹控制信号映射为膝关节运动轨迹控制信号；髋关节、膝关节、脊柱关节的运动轨迹控制信号表达式如下：

其中θh、θk、θs分别表示机器人的髋、膝、脊柱关节运动控制信号，φ为CPG振荡器的节律输出信号，T为振荡器周期，且T＝2π/ω，Ah、Ak、As分别表示髋、膝、脊柱关节的摆动幅度。

2.根据权利要求1所述基于CPG的脊柱型多足机器人，其特征在于，主动偏航脊柱关节(05)的每侧具有两条机器人腿。

3.一种权利要求1所述基于CPG的脊柱型多足机器人的仿生运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：脊柱型多足机器人的控制中枢根据人工控制要求，调整运动参数，向CPG网络发出控制指令；

步骤二：CPG网络根据所接收到的控制指令，生成具有固定相位差的周期相位信号；

步骤三：采用映射函数，将步骤二中CPG网络输出的周期相位信号映射为机器人的脊柱、腿关节运动轨迹控制信号；

具体地，CPG网络输出的周期相位信号通过映射函数进行函数变换，映射函数先将CPG网络输出的周期相位信号映射为机器人脊柱关节、髋关节的运动轨迹控制信号，再把髋关节运动轨迹控制信号映射为膝关节运动轨迹控制信号；髋关节、膝关节、脊柱关节的运动轨迹控制信号表达式如下：

其中θh、θk、θs分别表示机器人的髋、膝、脊柱关节运动控制信号，φ为CPG振荡器的节律输出信号，T为振荡器周期，且T＝2π/ω，Ah、Ak、As分别表示髋、膝、脊柱关节的摆动幅度；

步骤四：机器人的脊柱、腿关节根据步骤三发出的脊柱、腿关节运动轨迹控制信号运动；同时将各关节的位置信号作为反馈信号反馈至机器人的控制中枢；各关节的位置信号包括各关节的力矩、角度信号；

步骤五、控制中枢根据所接收到的反馈信号，重复步骤一至四，调整脊柱、腿关节的运动轨迹控制信号，协调机器人的脊柱、腿运动。