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中枢模式发生器与足端轨迹的非线性映射

仪器仪表学报 2024年第4期45卷 258-271页

作者：陈久朋陈治帆伞红军祖永斌昆明理工大学机电工程学院昆明650500 云南省先进装备智能制造技术重点实验室昆明650500

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了cpg模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于cpg的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在... 详细信息

控制的仿生性和行走的稳定性是四足机器人步态研究中重要的两个方面。为了提高四足机器人运动的稳定性,本文通过Hopf振荡器搭建了cpg模型,分别实现了多种步态及步态之间的转换。比较了基于cpg的步态控制方法和轨迹规划的步态规划方法在行走上的优劣性。为了同时利用cpg控制和轨迹规划的优点,提出采用神经网络将cpg控制曲线与足端轨迹逆运动学获得的驱动曲线进行非线性映射,使得四足机器人在控制上具备仿生特性,在足端接触上具备零冲击特性。仿真和实验结果表明,采用cpg的步态生成方法和轨迹规划方法四足机器人的行走速度理论行走速度80 mm/s相近,但采用cpg的步态生成方法四足机器人侧向位移在±10 mm以内且俯仰角在±1.5°之间,而采用轨迹规划的控制方法四足机器人侧向位移在±35 mm以内且俯仰角在±4°之间,可见两种控制方式对侧向偏移和俯仰运动的表现不一致。通过实验测量可知,机器人采用walk步态行走速度为18.57 mm/s,与理论行走速度20 mm/s接近,步态转换后以trot步态行走,行走速度为76.15 mm/s,与理论行走速度80 mm/s接近,少许误差可能是装配和行走过程打滑导致的。测量其侧向偏移程度可知,其侧向的偏移量左侧在15 mm内,右侧在25 mm内,其侧向偏移量均在合适的范围内,证明所提算法的有效性。

关键词：四足机器人 cpg模型足端轨迹非线性映射行走稳定性

基于STM32的六足侦察机器人的设计及控制研究

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基于STM32的六足侦察机器人的设计及控制研究

作者：段学鹏长春理工大学

学位级别：硕士

六足机器人作为多足类机器人的一种,构造形式多样,兼具灵活性和稳定性,在建筑行业、石化行业、造船业、消防部门等领域具有广泛的应用。当前恐怖分子的活动仍在继续,各国针对反恐的高科技设备还在深入研究,本文设计的六足侦察机器人具... 详细信息

六足机器人作为多足类机器人的一种,构造形式多样,兼具灵活性和稳定性,在建筑行业、石化行业、造船业、消防部门等领域具有广泛的应用。当前恐怖分子的活动仍在继续,各国针对反恐的高科技设备还在深入研究,本文设计的六足侦察机器人具有体积小、灵活性好、功能多样、噪声低的特点,其具备的多环境侦察功能在反恐侦察方面有广阔的应用前景,开展其相关的研究有重要实用价值,对社会和谐稳定意义重大。首先,以自然属性优越的蟑螂为仿生对象,从蟑螂的身体结构中提炼出适合六足侦察机器人的躯体构型和腿部构造,以侦察为主线对腿部末端执行机构进行地壁一体集成结构的设计,并在腿部胫节设计双弹簧被动减噪模块。基于D-H运动学方法建立六足机器人D-H坐标系,通过坐标转换得出机器人正逆运动解并进行正确性验证。然后,在侦察背景下,提出六足侦察机器人的典型运动环境,针对六足机器人不同的运动阶段进行受力分析和步态规划。分析机器人平地三支撑足直行、旋转受力情况并进行直行和旋转步态规划。分析机器人斜坡运动受力,得到机器人在斜坡静态稳定下的最大坡角;基于稳定裕度,分析机器人斜坡运动稳定性和机身俯仰角的关系,得出机身俯仰角和机器人腿部关节角间的定量关系并规划基于中层中枢模式发生器(cpg)反馈的斜坡面运动步态;分析机器人在平地、斜坡间的过渡情况,得出机器人在过渡中足端不打滑的条件并基于底层传感器反馈规划平地斜坡过渡步态;分析机器人在竖直墙面的受力情况并规划平地、竖直墙面之间的过渡步态。其次,分析生物运动的生物学机理和机器人应用机理;提出改进后带有外界反馈的Hopf模型,并分别分析不加反馈与加反馈时的模型中各参数对模型状态变量输出的影响,得到模型中参数对输出状态变量的调节属性;分析机器人控制模型的整体网络拓扑结构,对比全对称网络和环状网络在单腿耦合下的不同输出曲线,选择全对称网络作为六足机器人腿间耦合模型网络;分析机器人腿间耦合情况并规划机器人六条腿之间的耦合关系;分析机器人腿内关节耦合情况并提出关节耦合映射函数;得出六足机器人三关节控制信号。最后,为了满足六足侦察机器人的具体需求,设计相应的硬件系统方案、软件系统方案以及具体的上位机、下位机控制流程和上位机控制界面,合理选择适合机器人的硬件形式,并进行样机搭建;基于搭建的机器人样机,测试六足机器人的三支撑足直行、旋转步态的运动稳定性;分别用不带反馈的控制模型和带反馈的控制模型测试机器人在平地-凹凸面-斜坡上运动时的稳定性和机身俯仰角变化,证明加反馈的cpg单元模型控制方案的正确性与有效性。

关键词：六足侦察机器人运动学分析步态规划 cpg模型 Hopf振荡器

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起重机六足爬壁机器人的步态规划与控制研究

起重机六足爬壁机器人的步态规划与控制研究

作者：张瑞东武汉理工大学

学位级别：硕士

爬壁机器人作为港口起重机检测与清洁作业的载体,代替人工进行检测与清洁,将极大地提高工作效率,保障人员的安全。足式爬壁机器人相较于轮式和履带式爬壁机器人,具备较好的运动灵活性和环境适应性,其中,六足比两足和四足机器人的稳定性... 详细信息

爬壁机器人作为港口起重机检测与清洁作业的载体,代替人工进行检测与清洁,将极大地提高工作效率,保障人员的安全。足式爬壁机器人相较于轮式和履带式爬壁机器人,具备较好的运动灵活性和环境适应性,其中,六足比两足和四足机器人的稳定性好,比更多足的机器人控制简单,因此六足爬壁机器人具有广阔的应用前景和研究价值。然而,六足爬壁机器人的关节数目较多,实现其在起重机表面进行稳定攀爬运动的难度大。针对此问题,本文以磁吸附式六足爬壁机器人为研究对象,以实现六足爬壁机器人的步态规划和步态控制为研究目标,主要研究内容如下:首先,通过对起重机六足爬壁机器人攀爬环境的分析,设计其机械结构和吸附方案。基于设计的结构方案完成单腿正逆运动学和微分运动学求解,并修正了因引入足端球轴承所带来的运动学偏差,通过单腿运动学正解求得机器人相邻腿的足端工作空间。其次,完成六足爬壁机器人典型步态的规划,并采用静态稳定裕度法对规划的步态进行稳定性分析。依据拉格朗日动力学分析法建立六足爬壁机器人在攀爬过程中的动力学模型,并提出关节运动能量模型。结合多项式方程规划足端运动轨迹,基于粒子群优化算法,以能耗最优为优化目标,优化足端轨迹方程参数。再次,验证了中枢模式发生器(cpg)控制方法适用于六足爬壁机器人的步态控制。对比不同振荡器模型,提出结合占空比和关节转速的改进Hopf振荡器并建立cpg单元模型,采用单参数法确定适合步态控制的振荡器参数值。构建机器人cpg控制网络结构,其中腿间耦合采用全对称式结构实现稳定的相位差运动,腿内耦合采用映射函数生成关节控制信号。最后,结合步态控制方法对机器人进行联合仿真实验,验证步态规划和控制方法的可行性。搭建六足爬壁机器人样机实验平台,对电磁铁与步态的配合关系进行实验,确保两者的协同控制。在此基础上对机器人进行攀爬实验,对比仿真结果和样机实验结果,证明了本文行走步态和控制方法的有效性和合理性。

关键词：港口起重机六足爬壁机器人步态规划动力学分析 cpg模型

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多仿生机器鱼分布式编队控制算法研究

多仿生机器鱼分布式编队控制算法研究

作者：郭志龙兰州交通大学

学位级别：硕士

多仿生机器鱼合作控制问题是多机器人系统领域的主要研究方向之一,其特点是多机器鱼之间通过合作,完成单个机器鱼无法完成的复杂任务,在军事侦查、水环境监测、海上救援等领域均具有广泛的应用前景。本文主要针对多机器鱼分布式编队控... 详细信息

多仿生机器鱼合作控制问题是多机器人系统领域的主要研究方向之一,其特点是多机器鱼之间通过合作,完成单个机器鱼无法完成的复杂任务,在军事侦查、水环境监测、海上救援等领域均具有广泛的应用前景。本文主要针对多机器鱼分布式编队控制问题进行研究,主要内容包括:1.给出了一种多机器鱼编队分布式控制算法。所提方法采用分层式结构。首先,各机器鱼利用二阶一致性算法实现对其邻居位置和速度信息的估计,确定下一时刻的期望位姿和速度,并给出了基于局部信息的编队形成和保持条件;其次,设计了各机器鱼的模糊控制器,使之能够精确跟踪期望位姿。试验结果表明,所提算法能够克服水环境的不确定性因素,实现编队的形成和保持;2.给出了一种个体间能够实现避碰的多仿生机器鱼分布式编队控制算法。其中,在上位机信息融合模块,通过在二阶一致性算法中增加势能函数项,实现个体之间的碰撞避免;在机器鱼行为控制层,设计了各仿生机器鱼的中枢模式发生器cpg(Central Pattern Generator),将机器鱼动力学系统的控制模型转换为对单个机器鱼摆幅和相位差变量的控制,实现了多机器鱼编队的精确控制。实验结果验证了其有效性。3.搭建了一个多仿生机器鱼分布式协作控制平台。通过功能的模块化设计,将上位机功能模块下移到机器鱼控制系统中,实现了各机器鱼基于任务进行自主游动,上位机全局监测的分布式框架体系;通过引入GPS/北斗卫星导航系统,以及开发机器鱼之间的信息传输方式,构建了基于仿生机器鱼的分层分布式网络系统,为多机器鱼系统的工业应用奠定了基础。

关键词：二阶一致性分布式协作模糊逻辑控制编队控制 cpg模型

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基于高级神经中枢调节的四足机器人运动控制

基于高级神经中枢调节的四足机器人运动控制

作者：陈海江长安大学

学位级别：硕士

足式机器人有多种类型,其中四足机器人拥有更好的运动灵巧性和环境适应能力,因而成为了步行式自动机器人研究领域中的大热门。要进一步提高四足机器人的动作特性、环境适应能力和运动稳定性,就必须着重深入研究四足机器人的运动控制方式... 详细信息

足式机器人有多种类型,其中四足机器人拥有更好的运动灵巧性和环境适应能力,因而成为了步行式自动机器人研究领域中的大热门。要进一步提高四足机器人的动作特性、环境适应能力和运动稳定性,就必须着重深入研究四足机器人的运动控制方式,尤其是运动中多关节的协调性控制、环境自适应性控制和动态稳定性控制。目前,对于足式机器人的仿生运动控制大多是建立在位于脊髓内中枢模式发生器(cpg)的基础上的。研究结果表明,基于cpg的运动控制方式是一种模仿脊椎动物低级神经系统自激活动时所产生的节律性运动的调控方式,其可以在缺乏高层中枢命令或外部反馈信号的前提下产生平稳的节律性控制信号;而高层中枢命令或外部的反馈信号又反过来对cpg的输出信号进行适当调节,可以实现一些高级别的运动功能,它们共同配合动物实现复杂的运动行为。所以,本文若把这两种生物学原理,分别作用在四足机器人的运动调控和动作决策上,可以明显提高四足机器人的环境适应性和运动的平稳性。首先,综述了国内外足式机器人的发展现状,确立了本文的研究方向和研究内容。然后,根据小狗身体的仿生学结构,设计了一款双驱平行缓冲腿的高性能四足机器人;对机器人腿部机构建立D-H模型,进行机械腿正逆运动学的分析,生成了腿部三个关节上的关节转角函数。然后,搭建中枢模式发生器cpg模块和轨迹规划模块,并将这两个模块的信号耦合,得到带有节律性运动特点的机器人控制信号;对cpg网络的数学模型进行建模,并分析其网络特性和模型参数,对四足机器人步态进行规划并通过联合仿真验证算法的可行性;构建基于反馈输入的cpg网络模型,实现四足哺乳动物的四种典型运动行为模式并对其进行数值仿真。接着,以Izhikevich尖峰神经元模型为生物神经元模型,建立基底神经节BG神经控制模块和数学模型,对其网络特性和各神经核团的联结特性进行详细分析,实现了基于BG的多通道行为选择方法,并利用其进行四种机器人四种行为选择的数值仿真,验证了基于BG的行为选择算法的正确性。最后,以网状脊髓RS神经元为参考模型,采用Hopf振荡器模型搭建了网状脊髓RS神经控制模块,同时对RS网络的耦合特性和Hopf振荡器的模型参数进行研究,实现了机器人运动方向和速度调节,并通过数值仿真验证了该模型的适用性。

关键词： D-H模型正逆运动学 cpg模型基底神经节BG 网状脊髓RS神经元

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基于DSP的仿生步行机器人平台开发与研究

基于DSP的仿生步行机器人平台开发与研究

作者：高爽西北工业大学

学位级别：硕士

随着仿生学与机器人技术的飞速发展,仿生机器人已日益成为机器人领域的研究热点。本论文结合理论与实践,对仿生蟑螂的控制系统进行了研究。根据系统实时性的要求,给出了基于高性能的数字信号处理芯片TMS320LF2407A的硬件平台,实现了一... 详细信息

随着仿生学与机器人技术的飞速发展,仿生机器人已日益成为机器人领域的研究热点。本论文结合理论与实践,对仿生蟑螂的控制系统进行了研究。根据系统实时性的要求,给出了基于高性能的数字信号处理芯片TMS320LF2407A的硬件平台,实现了一套完善的仿蟑螂机器人平台系统。论文首先综述了当前足类机器人研究和应用的现状;然后介绍了机器人机械本体结构的设计:机器人采用了关节式结构,在机构上根据腿功能的不同采用了三组不同的结构形式,实现了机器人的结构仿生。在第三、四章详细地阐述了基于DSP的六足驱动电机控制系统的设计,串口通信以及EEPROM的接口电路硬件与软件设计,最后对机器人的步态与cpg模型进行了初步的仿真与验证。实验结果表明,所研制的机器人平台控制系统设计合理,基本上达到了预期要求。

关键词：仿生机器人 DSP 串口通信 cpg模型