[发明专利]一种蛇形机器人的仿生CPG运动调控系统及其方法

说明书

本发明涉及一种蛇形机器人的仿生CPG运动调控系统及其方法，该系统包括多个依次耦合连接的DHCO单元，多个DHCO单元之间的相位差可调节，DHCO单元分别连接有相互垂直放置的两个相邻的舵机，DHCO单元用于输出同步和反同步的稳定节律信号，以控制连接的两个舵机在水平方向上发生偏航运动或在垂直方向上发生俯仰运动。通过改变DHCO单元之间的相位差，以对应调控蛇形机器人的波动运动方向；通过改变CPG参数，以对应调控蛇形机器人实现不同的运动波形。与现有技术相比，本发明的网络结构简单、工程上易实施；所构建的DHCO单元，其神经元输出模式在一定参数范围内保持不变，越过参数临界值后能够快速切换至另一种完全不同的输出模式，具有很好的系统鲁棒性和参数可调性。

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种蛇形机器人的仿生CPG运动调控系统及其方法。

背景技术

随着仿生机器人技术的发展，具有多个自由度、能够在狭窄空间穿越的蛇形机器人目前备受科学家和工程界的极大关注。自然界中，生物蛇可以基于不同的蛇形曲线，实现跨介质环境的多模式运动方式，因此，针对特定运动环境下的蛇形机器人步态规划，由于其具有自由度多、结构复杂、计算量大而难以实施的特点，使得蛇形机器人运动控制的可调节性和鲁棒性都比较差。

生物学研究表明，动物之所以具有如此优越的运动性能，是由位于脊髓中的CPG(Central Pattern Generator，中枢模式发生器)神经系统的调控实现的，自然界生物蛇常见的运动形式包括水平蜿蜒运动、垂直波动运动、以及侧向滚动运动等多种模式。工程上，为了实现蛇形机器人的跨介质多模式运动及其调控，针对具有“水平垂直关节副”结构的多自由度蛇形机器人，Manzoor等2020年在Iranian Journal of Science and Technology,Transactions of Electrical Engineering杂志上(文章名：Serpentine andrectilinear motion generation in snake robot using central pattern generatorwith gait transition)提出了一种具有三层网络结构的CPG神经网络控制系统，实现了蛇形机器人的水平蜿蜒运动(serpentine)和垂直波动运动(rectilinear)，并在2019年Journal of IntelligentRobotic Systems杂志(文章名：Neural oscillator based CPGfor various rhythmic motions of modular snake robot with active joints)上公开了蛇形机器人侧向翻滚运动(side-winding)以及二步、四步折叠运动(two-/four-stepconcertina motion)的CPG控制参数；

Qiao等2017年在International Journal of Advanced Robotic Systems杂志(文章名：Triple-layered central pattern generator-based controller for 3Dlocomotion control of snake-like robots)公开利用相位振荡器模型，构建了包含节律生成器层(RGL)、模式生成器层(PGL)以及运动神经元层(MNL)的三层CPG控制系统，以实现蛇形机器人的三维运动模式。此外，中国专利“一种仿蛇搜救机器人多步态控制方法”(申请公开号：CN 105511267 A，申请公开日：2016.04.20)涉及到的是CPG控制器的非周期混沌步态设计；中国专利“一种仿生蛇形机器人控制方法”(申请公布号：CN 105945925 A，申请公布日：2016.09.21)涉及的是CPG对仿生蛇形机器人的控制流程，并不涉及CPG控制器的设计以及蛇形机器人运动模式与控制参数之间的调控关系。