中枢模式发生器在六足机器人运动控制中的应用

摘要

近年来，机器人技术蓬勃发展，六足机器人作为机器人家族中极具典型的一员，已经在灾情救援、地表侦察、太空探测等诸多领域取得应用。同时运动控制作为机器人学的重要研究方向，得到了控制领域的广泛关注。随着生物学研究的逐渐深入，仿生控制方法在模拟生物运动节律的方向展现出相比传统控制方法更大的优越性，其中，以中枢模式发生器控制方法(Central Pattern Generator, CPG)最为典型。CPG控制方法能够在缺乏高层控制信号和外部反馈的情况下，产生稳定的节律输出信号，不需要对外部环境精确建模，控制方法简单有效，并可以很好地模仿生物运动步态。由此，本文将以CPG控制方法为核心，以六足机器人为控制对象，对其运动控制方法进行详尽的探讨。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了关于步态周期、步长、占地比等基本概念，通过基于模型的控制方法，以机器人单腿为对象，进行几何分析和正逆运动学解算。在此基础上，对单腿足端轨迹进行多项式拟合，以此完成机器人的运动规划，保证运动准确性。同时，选择无刷直流电机作为机器人关节驱动装置，完成数学建模过程，并在关节空间内建立三闭环控制器，保证对高层的输出信号的精确跟踪。⑵通过采用中枢模式发生器中基于单一非线性振子的方法代替传统基于模型控制算法来进行关节轨迹生成。论文选取Hopf神经振荡器作为节律控制的基本单元，描述振荡器参数对输出波形的影响，利用串联惯性环节提供的相角滞后产生固定相位差的原始信号，并通过设置阈值线的方法确定单腿摆动相与支撑相的切换时刻，最后以调节采样频率以及补偿相位差的方式确定关节控制信号与原始相位差信号在离散时间内的一一对应关系，描述典型步态的规划发生过程。⑶针对基于单一振子的步态生成方法所产生的问题，论文提出了相应的方法予以改进。通过选取改进的Hopf振子实现摆动相与支撑相频率的单独可调，并通过利用CPG环状网络结构消除串联惯性环节带来的误差积累，整体上简化了控制过程，提高了仿生控制方法的运动控制效果。

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 研究现状及存在的问题

1.3 本课题研究内容

第二章 基于模型的控制方法及关节轨迹跟踪

2.1 引言

2.2 基本概念

2.3 基于模型的控制方法

2.4 关节空间轨迹跟踪方案

2.5 本章小结

第三章 基于单一振子的中枢模式发生器控制方法

3.1 引言

3.2 中枢模式发生器方法简介与设计思路

3.3 基于单一振子的中枢模式发生器设计

3.4 本章小结

第四章 中枢模式发生器环状耦合步态生成机制

4.1 引言

4.2 网络耦合方法概述及设计要求

4.3 改进的Hopf振荡环节

4.4 中枢模式发生器环状耦合及关节映射方案

4.5 本章小结

第五章 实验分析

5.1 实验平台介绍

5.2 算法验证实验

5.3 实验结论

5.4 本章小节

结论

参考文献

声明

致谢