一种六足机器人的CPG控制系统及其步态生成方法技术方案

本发明专利技术涉及一种六足机器人的CPG控制系统及其步态生成方法，该系统包括具有固定相位差的周期节律生成器以及多种步态的模式组合器，周期节律生成器、模式组合器与六足机器人本体依次连接构成闭环控制系统，周期节律生成器用于在产生周期节律的同时实现多种不同的固定相位差；模式组合器用于调控同一相位差下多种不同步态模式的六足摆动顺序，并作用于六足机器人，实现六足机器人的多种步态模式及其相互切换；六足机器人用于输出反馈控制信号给周期节律生成器。与现有技术相比，本发明专利技术利用耦合时滞的调节实现多种固定相位差调控，参数整定简单、参数调控容易，能够简单可靠地实现六足机器人多种不同步态模式，有效提高系统的参数可调性和鲁棒性。可调性和鲁棒性。可调性和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种六足机器人的CPG控制系统及其步态生成方法


[0001]本专利技术涉及仿生机器人
，尤其是涉及一种六足机器人的CPG控制系统及其步态生成方法。

技术介绍

[0002]六足机器人作为一种并联机器人，因其运动方式灵活多变、稳定性强，所以其环境适应性较好，已经成为仿生机器人中的主流产品。
[0003]然而由于六足机器人腿部数量较多，使得六足机器人的控制难度增加，中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)的出现，为六足机器人的控制方法提供了新的思路。CPG能够在缺乏高层控制信号和外部反馈的情况下，自发产生稳定的节律性运动，无需对环境和自身建模，可以减少控制系统的工作量、节约工作时间。但是目前的CPG控制器所具有的步态模式种类少，而六足机器人根据相位差和六足摆动顺序可以产生多种不同的步态模式，这使得现有的CPG控制器无法可靠实现六足机器人多种步态模式的生成；由于采用全连接的网络拓扑结构，CPG结构单元为周期节律振荡器，结构单元一定是二维及以上的振子模型，其CPG控制器的维数高，参数调控复杂：一方面，周期节律和相位差的产生需要不同的参数进行调节，即使采用具有周期节律的振荡器作为CPG控制单元，相位差的调控也需要多个参数的共同参与；另一方面则无法给出统一的参数整定方法，调控参数和运动模式之间的对应关系不清，只能基于不同的步态运动模式，采用试凑法给出一组或者多组固定的参数值，使得系统的参数可调性和鲁棒性都无法得到保证。

技术实现思路

[0004]本专利技术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六足机器人的CPG控制系统及其步态生成方法，能够简单可靠地实现六足机器人多种不同步态模式，且有效提高系统的参数可调性和鲁棒性。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种六足机器人的CPG控制系统，包括具有固定相位差的周期节律生成器以及多种步态的模式组合器，所述周期节律生成器连接至模式组合器，所述模式组合器连接至六足机器人本体，所述六足机器人本体连接至节律生成器，以构成闭环控制系统，所述周期节律生成器用于在产生周期节律的同时实现多种不同的固定相位差；
[0006]所述模式组合器用于调控同一相位差下多种不同步态模式的六足摆动顺序，并作用于六足机器人，实现六足机器人的多种步态模式及其相互切换；
[0007]所述六足机器人用于输出反馈控制信号给周期节律生成器。
[0008]进一步地，所述周期节律生成器包括用于对应控制六足机器人关节的六个振荡器单元，所述六个振荡器单元之间依次连接形成单向环形网络结构，所述六个振荡器单元之间的连接方式为时滞耦合，在耦合时滞参数调节下，以调控周期节律的产生和不同类型固定相位差的生成。
[0009]进一步地，所述不同类型固定相位差包括0、1/6、1/4、1/3和1/2周期。
[0010]进一步地，所述六足摆动顺序具体为六足机器人的左前(LF)、左中(LM)、左后(LH)以及右前(RF)、右中(RM)、右后(RH)腿之间的摆动顺序。
[0011]进一步地，所述六足机器人的多种步态模式包括六足跳跃步态、波形步态、异相三角步态、旋转三角步态、毛毛虫步态、米字型步态、三角步态、踱步步态、四足步态。
[0012]进一步地，所述振荡器单元采用一个变量描述的微分方程进行表示，也可采用多个变量描述的微分方程进行表示，在实际应用时，为简单起见，考虑采用单变量描述的微分方程。
[0013]一种六足机器人的CPG控制系统的步态生成方法，包括以下步骤：
[0014]S1、对周期节律生成器的耦合时滞进行参数整定，确定耦合时滞对应的参数值；
[0015]S2、基于耦合时滞参数的调节作用，对应生成固定相位差节律信号，并传输至模式组合器；
[0016]S3、根据固定相位差节律信号，模式组合器通过节律顺序的不同组合，得到六足机器人步态运动的六足摆动顺序，并作用于六足机器人，实现多种不同步态模式，同时六足机器人输出反馈控制信号给周期节律生成器。
[0017]进一步地，所述步骤S1具体是基于时滞非线性系统的Hopf分岔理论，利用非线性系统线性化的特征根和特征向量，以对周期节律生成器的耦合时滞参数进行参数整定。
[0018]进一步地，所述步骤S1具体包括以下内容：
[0019]S11、对时滞耦合的非线性系统进行平衡点附近的线性化处理，得到相应的线性系统以及对应的特征方程；
[0020]S12、分离线性系统特征方程的实部和虚部，结合三角函数关系，得到用于产生周期节律的频率方程；
[0021]S13、采用数值方法对频率方程进行求解，得到耦合时滞临界值，所述耦合时滞临界值即为不同参数区域的分界线，每个参数区域内部的周期节律具有同一相位差、不同参数区域的相位差均不同。
[0022]进一步地，所述频率方程具有两个不重复的正根。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0024]一、本专利技术针对六足机器人步态运动模式较多、不同模式的产生和调控较为复杂的问题，提出一种六足机器人的CPG控制系统，包括具有固定相位差的周期节律生成器以及多种步态的模式组合器，其中，固定相位差的周期节律生成器包含控制六足机器人关节的六个振荡器单元，每个振荡器单元之间采用时滞耦合，网络拓扑结构为单向环形连接，在耦合时滞参数的调节下，能够实现周期节律的固定相位差，这些周期节律在模式组合器的作用下，调控六足机器人不同腿之间的摆动顺序，实现六足机器人的多种步态模式及其相互切换，并且六足机器人输出反馈控制信号给周期节律生成器，形成闭环控制系统。由此针对六足机器人步态模式的相位差关系，采用固定相位差的周期节律生成器和多种步态的模式组合器，能够更大限度产生多种不同的六足机器人步态模式，采用单向环形网络拓扑结构，结构单元可采用一个变量描述的微分方程，在耦合时滞的作用下产生具有固定相位差的周期节律，周期节律和相位差同时完成，其调控参数少、工程实施容易。
[0025]二、本专利技术还提出一种六足机器人的CPG控制系统的步态生成方法，周期节律和相
位差在同一个参数调控下同时实现，利用时滞非线性动力系统的Hopf分岔理论，实现固定相位差的周期节律生成，具有参数整定方法简单、步态模式生成的种类多、参数调控容易、耦合时滞的调节可实现多种固定相位差调控的特点；基于理论分析的方法给出不同相位差因子所对应的参数区域，明确了调控参数和步态模式的对应关系，在特定的参数区域内，相位差不会随着参数的变动而改变，即控制参数在区域内的变动不会影响相位差，而参数区域之间的参数变化，实现不同相位差的快速切换，使得系统具有更好的鲁棒性和和参数可调性。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的系统结构示意图；
[0027]图2为本专利技术的方法流程示意图；
[0028]图3为实施例中六足机器人CPG控制器步态生成与控制流程图；
[0029]图4为周期节律生成器中六个振荡器单元构成的单向环形网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六足机器人的CPG控制系统，其特征在于，包括具有固定相位差的周期节律生成器以及多种步态的模式组合器，所述周期节律生成器连接至模式组合器，所述模式组合器连接至六足机器人本体，所述六足机器人本体连接至节律生成器，以构成闭环控制系统，所述周期节律生成器用于在产生周期节律的同时实现多种不同的固定相位差；所述模式组合器用于调控同一相位差下多种不同步态模式的六足摆动顺序，并作用于六足机器人，实现六足机器人的多种步态模式及其相互切换；所述六足机器人用于输出反馈控制信号给周期节律生成器。2.根据权利要求1所述的一种六足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述周期节律生成器包括用于对应控制六足机器人关节的六个振荡器单元，所述六个振荡器单元之间依次连接形成单向环形网络结构，所述六个振荡器单元之间的连接方式为时滞耦合，在耦合时滞参数调节下，以调控周期节律的产生和不同类型固定相位差的生成。3.根据权利要求2所述的一种六足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述不同类型固定相位差包括0、1/6、1/4、1/3和1/2周期。4.根据权利要求1所述的一种六足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述六足摆动顺序具体为六足机器人的左前、左中、左后以及右前、右中、右后腿之间的摆动顺序。5.根据权利要求1所述的一种六足机器人的CPG控制系统，其特征在于，所述六足机器人的多种步态模式包括六足跳跃步态、波形步态、异相三角步态、旋转三角步态、毛毛虫步态、米字型步态、三角步态、踱步步态、四足步态。6.根据权利要求2所述的一种六足机器人的CPG控制系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋自根，徐鉴，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：