[发明专利]一种基于生物仿生原理和直觉的四足机器人运动控制方法

说明书

本发明提出一种基于生物仿生原理和直觉的四足机器人运动控制方法，包括如下步骤：S1、将四足机器人的行进分为两个阶段：支撑相和摆动相，其中支撑相是指腿部足端与地面接触，为剩余的腿向前迈进提供支撑，而向前迈进的腿则为处于摆动相；S2、采用CPG网络生成四足机器人的前进信号，用来控制机体以一定的速度向前行进；同时采用VMC控制器对机体的姿态进行有效纠正，使得机器人能够按照期望的姿态稳定行进。本发明结合已有的控制方法并进行改进，综合了已有方法的优点而摒弃其缺点，从而提出的四足机器人运动控制的理论方法简洁高效易于实现，大大克服了现有算法控制复杂度高的缺陷。

技术领域

本发明涉及一种四足机器人运动控制方法，尤其是基于生物仿生原理和直觉的四足机器人运动控制方法。

背景技术

机器人技术是一门涉及力学、电子学，仿生学、计算机科学以及人工智能等领域知识的交叉学科，其灵活机动性可以代替人类在恶劣的工作条件下(高温、有毒、水下等环境)执行复杂的任务，因而对于机器人技术的研究具有重要的社会价值。

目前最为普遍的移动机器人分为轮式、履带式和足式机器人。轮式和履带式机器人能够在平坦的路面上稳定的行走，其越野能力也取得了重大的突破。然而，它们在崎岖的路面上行走仍旧有很大的局限性。相比之下，足式机器人可以在一定的负重条件下依然可以实现快速稳定的行进。这些特性越来越受到研究人员的青睐。

足式机器人按照腿的数目可以分为单足跳跃机器人、双足机器人、四足机器人以及六足以上机器人。与单足和双足机器人相比，四足机器人更具稳定性和较强的负载能力，同时与多足(六足及以上)机器人相比机械结构更为简单，控制难度亦较低。另外，从仿生学角度而言，哺乳动物作为进化最高等的脊椎动物，绝大多数采用四足行走方式，因而构造四足仿生机器人更有利于借鉴四足动物行走时的步态模式。

目前大多数的四足机器人仍然停留在室内测试甚至是仿真阶段，且仅能够在平坦的地面上行走，地形适应力较差，抗干扰能力较弱。虽然四足机器人具有良好的运动能力和较为广泛的应用前景，但是其结构设计和控制算法也相对复杂，特别是四足步态时序的协调控制以及行进过程中的姿态控制，加之高精度高实时性传感反馈使得控制系统更加复杂。总体而言，四足机器人的相关技术仍处于发展阶段，相应的理论研究仍需进一步完善和发展。

现的技术中有人提出用CPG(Central Pattern Generator，中枢模式发生器)来控制四足机器人的行走。CPG的概念来自于生物学科和仿生学科领域，指动物身上产生节律运动的神经反射电流，是一种分布式的神经网络，本质上就是周期信号发生器。由于四足机器人在正常行走时四条腿之间的关节角度本质上也只是存在相位的差别，因而好多研究者用它来控制四足机器人的行走。其主要的缺点在于：单纯的CPG开环控制无法对机器人姿态进行有效控制，因而抗扰动能力较差；带反馈信号的闭环CPG网络又过于复杂，参数整定十分繁琐，只能依靠工程经验，并且上层控制指令需要经过多个环节才能转换为关节控制信号，因而指令执行效率低；当机器人本身的特性参数以及外部环境发生变化时，又需要重新进行参数整定。这些不足极大地限制了CPG进一步扩展应用。

现的技术中也有人提出用虚拟模型控制(Virtual Model Control，VMC)来控制四足机器人的行走。虚拟模型控制(Virtual Model Control，VMC)实际上是一种直觉控制方法。所谓直觉控制方法，就是人们根据自己的感觉以及对系统已有的认知而建立起来的一种控制方法。这类方法没有固定的模型公式和推导流程，只是简单的根据机器人期望状态和实时状态之间的差异，控制器给出类似于“快(慢)一点”、“高(低)一点”、和“大(小) 一点”之类的指令引导机器人进行相应的行为调整。其基本思路是：给定机器人上层期望的运动状态并与传感器测量到的实时状态进行比较，根据两者的差值，通过特定的直觉法则计算所需施加的力或者力矩，再作用在关节处从而使得机器人朝着期望的状态运动。