[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

说明书

本发明公开了一种基于CPG的脊柱型多足机器人及其仿生运动控制方法，该脊柱型多足机器人，具有控制系统、脊柱和对称分布在脊柱两侧的机器人腿，每侧机器人腿至少有两根；控制系统针对脊柱和每一条机器人腿均配置一个CPG振荡器，各CPG振荡器耦合而成整个CPG网络；控制系统利用五CPG网络产生周期信号，通过函数映射将信号变换为机器人脊、腿关节的运动轨迹控制函数，并通过反馈调整控制参数，以此协调机器人的脊、腿运动。本发明利用仿生方法控制脊柱型四足机器人，与现有技术相比，具有计算简单、控制方便的特点，使机器人在不同环境中能保持一定的脊、腿协调性。

技术领域

本发明涉及一种多足机器人运动控制技术，属于机器人仿生运动控制技术领域。

背景技术

四足机器人因为其仿生足式运动的优点日益受到研究者的关注，但在过往的多数四足机器人研究中，均采用刚性躯体模型而忽视了脊柱关节的作用。越来越多的学者研究表明，带主动或被动脊柱关节的四足机器人相对于刚性躯体的同类机器人，具有能耗低、速度快等的特点。相对于随机器人肢体运动而不自主摆动的被动脊柱关节而言，主动脊柱关节的运动可受控制，使机器人的运动更加灵活，更加贴近动物自然实际。另一方面，主动脊柱关节增加了机器人的自由度，使得控制变得复杂。因而，目前主动脊柱关节的控制多采用基于模型的方法，这种方法虽然控制简单，但是固定的控制模型使得机器人脊柱关节的运动不能适应变化的环境，脊、腿协调性不理想。

发明内容

技术问题：本发明的目的就是为了克服上述技术存在的缺陷而提供一种带有主动脊柱关节的机器人及其仿生控制方法。

技术方案：本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于CPG的脊柱型多足机器人，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振荡器共同耦合构成整个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。

优选地，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，φ_i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，Δ_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差。

优选地，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θ_h、θ_k、θ_s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，A_h、A_k、A_s分别表示髋、膝、脊柱关节的摆动幅度。

优选地，控制系统通过改变第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差Δ_ij来改变第i、j膝关节间的相位关系，改变A_h、A_k、A_s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。

优选地，主动偏航脊柱关节(05)的每侧具有两条机器人腿。