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四足仿生机器人复杂运动控制方法与实验平台设计

四足仿生机器人复杂运动控制方法与实验平台设计

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作者：陈冬林北京交通大学

学位级别：硕士

一直以来四足机器人以其优良的运动稳定性和环境适应性受到国内外众多学者和科研机构的关注与重视。目前,四足机器人已经能够在许多复杂的非结构化的环境中自主稳定行进,但控制方法非常复杂、软硬件成本过高。本文提出了基于实际反馈的... 详细信息

一直以来四足机器人以其优良的运动稳定性和环境适应性受到国内外众多学者和科研机构的关注与重视。目前,四足机器人已经能够在许多复杂的非结构化的环境中自主稳定行进,但控制方法非常复杂、软硬件成本过高。本文提出了基于实际反馈的cpg控制器的设计方法,并基于此提出了机器人在复杂环境下的运动控制策略。利用足端触地信号对机器人腿部的关节位置控制曲线进行调整,使机器人能够依据地形信息实现更为准确的运动。论文完成的主要工作如下:首先,针对8自由度四足机器人进行了基于实际反馈的cpg控制器的设计,并对cpg网络模型的极限环和关键参数进行了研究,得出了cpg网络模型关键参数的作用和调整规律;同时,基于此cpg控制器提出了机器人在复杂环境下的运动控制策略。其次,对四足机器人在斜坡、坑洼、台阶以及楼梯等非结构化的地形条件下的运动进行动力学仿真,并从关节位置控制曲线、关节力矩驱动曲线以及能量利用效率等多方面对仿真结果进行分析,验证了基于cpg的复杂环境下运动控制策略的有效性和优越性。然后,提出了四足机器人实验平台控制系统的设计方案,完成了控制系统的硬件设计和软件设计,并搭建了具有实时伺服控制和数据采集功能的四足机器人运动实验平台。最后,进行了机器人trot步态运动实验和转弯运动实验,验证了四足机器人实验平台控制系统的有效性和可靠性。

关键词：四足机器人 cpg控制器控制系统设计环境适应性

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基于强化学习与cpg的蝠鲼式仿生鱼控制方法研究

基于强化学习与CPG的蝠鲼式仿生鱼控制方法研究

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作者：曹程程江苏科技大学

学位级别：硕士

海洋中蕴含着丰富的资源等待着人类的开发探索,对于水下机器人的需求也在逐渐增加。在漫长的进化过程中,鱼类的在海洋中的游动能力得到了非凡的发展,这为人类设计水下机器人提供了丰富的灵感,相比于传统的水下航行器,仿照鱼类设计的机... 详细信息

海洋中蕴含着丰富的资源等待着人类的开发探索,对于水下机器人的需求也在逐渐增加。在漫长的进化过程中,鱼类的在海洋中的游动能力得到了非凡的发展,这为人类设计水下机器人提供了丰富的灵感,相比于传统的水下航行器,仿照鱼类设计的机器鱼具有高效率、低能耗和高机动性的优点。蝠鲼鱼行动敏捷,宽大的胸鳍,能够保证游动时的稳定性。随着仿生鱼作业任务的复杂化,对其自主完成任务的能力提出了更高的要求。因此,本文以蝠鲼式仿生鱼为研究对象,分别设计了基于cpg的底层运动控制器和基于强化学习的高层控制器并将GPS/INS紧耦合导航算法融入到控制方法,以实现蝠鲼式仿生鱼在水面下的整体运动控制。本文的主要研究内容有:(1)以蝠鲼式仿生鱼为研究对象,设计了基于cpg的底层游动控制器,作为蝠鲼式仿生鱼的“低级神经中枢”,通过改变cpg模型的参数能够实现不同的游动模态,包括直游、左转、右转、后退、加速、上浮和下潜。(2)设计了基于强化学习的高层控制器,作为蝠鲼式仿生鱼的“高级神经中枢”。输入为从基于GPS/INS定位导航系统获取到的观测值,输出为基于cpg的底层运动控制器的控制参数。通过改变仿生鱼的运动模态,完成蝠鲼式仿生鱼的定点游动控制任务,即输入目标点的位置,控制仿生鱼自主游到定位的目标点。(3)研究了基于GPS/INS紧耦合的三维定位导航技术,作为“感觉器官”,获取环境传感数据。紧耦合的组合方式在没有GPS信号的情况下依然能够输出速度和位置数据,定期浮出水面可以对INS数据进行校准,适合仿生鱼水下工作的特点。将深度计加入GPS/INS组合算法能够实现三维定位,经过数据处理后能够得到强化学习算法所需要的观测值。(4)将本文提出的控制方法在仿真环境中进行了模拟仿真,验证了所提出方法的有效性,并对cpg控制器的控制参数进行改进,通过实验对比得出最优的控制方法。又分别与SIN-DDPG控制方法(正弦曲线控制器作为底层控制器,强化学习作为高层控制器)和cpg-PID(cpg作为底层运动控制器,PID作为高层运动控制器)进行对比,结果证明本文所提出的cpg-DDPG控制方法(cpg作为底层运动控制器,强化学习作为高层运动控制器)控制效果远远好于所对比的两种控制方法。(5)设计了一台蝠鲼式仿生鱼试验样机,将本文提出的cpg-DDPG控制方法训练形成的控制策略移植到试验样机上,并在人工湖中分别验证所设计的基于cpg的底层运动控制器控制效果、基于GPS/INS的水下定位导航效果和基于强化学习的高层控制器定点游动控制任务控制效果。实验证明本文所提出的控制方法能够控制蝠鲼式仿生鱼样机实现我们设定的控制任务。

关键词：蝠鲼式仿生鱼 cpg控制器强化学习 GPS/INS组合导航

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