CN102320223B - 基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，包括控制模块、头部和尾部光电液位传感器、主控制器、胸鳍CPG模块、身体CPG模块，其中：控制模块的输入端接收远程遥控发送来的运动控制指令并生成输出机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r；头部和尾部光电液位传感器采集环境信息，并将环境信息生成并输出自主切换实现地面关节锁定和水下关节往复摆动的运动形式；主控制器的输入端分别连接控制模块、头部和尾部光电液位传感器的输出端；胸鳍CPG模块的输入端与身体CPG模块的输入端之间连接，相互间传送耦合权值和耦合相位差；胸鳍CPG模块的输入端、身体CPG模块的输入端分别与主控制器的输出端连接。

Description

基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置

技术领域

本发明属于仿生学技术领域，涉及两栖仿生机器人的水陆自主运动控制方法。

背景技术

作为一种具有多种环境运动模态的仿生推进器，两栖仿生机器人的运动控制研究具有重要的意义，不仅可为帮助解释生物物种进化和多环境下运动步态切换提供一定的理论指导，同时能为研制新型两栖仿生机器人样机及其实际应用提供一定的技术支持。两栖仿生机器人地面爬行采用仿轮式推进，而水下游动模拟鱼类的身体各个关节左右往复波动前进，地面和水下运动采用不同的推进机构和运动形式。如何设计一种通用的控制器完成水陆两种不同环境下的运动形式，以及实现两栖仿生机器人在水陆环境下的自主运动步态切换显得极为重要，研究成果相对较少，已有文献没有明确给出两栖仿生机器人水陆复合步态自主切换的具体实施方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，以解决一种两栖仿生机器人的水陆运动步态自主切换。

为达到上述目的，本发明提供的基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置的技术方案包括控制模块、头部光电液位传感器、尾部光电液位传感器、主控制器、胸鳍CPG模块、身体CPG模块，其中：

控制模块的输入端接收远程遥控发送来的运动控制指令，并将运动控制指令生成并输出两栖仿生机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r；

头部光电液位传感器和尾部光电液位传感器采集环境信息，并将环境信息生成并输出自主切换两栖仿生机器人水、陆步态的控制信号，实现地面关节锁定和水下关节往复摆动的运动形式；

主控制器的输入端分别连接控制模块的输出端、头部光电液位传感器的输出端和尾部光电液位传感器的输出端，主控制器接收两栖仿生机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r、两栖仿生机器人水、陆步态的控制信号，并生成及输出两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号和两栖仿生机器人身体运动的控制信号；通过远程遥控调节左右侧激励指令信号d_l和d_r，将产生机器人的水、陆运动模式；当左右侧激励指令信号d_l和d_r相同且大于激励门限时，两栖仿生机器人直行；当左右侧激励指令信号d_l和d_r大于激励门限时，两栖仿生机器人转弯，其中，当左侧激励指令信号d_l大于右侧激励指令信号d_r时，两栖仿生机器人右转，反之左转；

胸鳍CPG模块的输入端与身体CPG模块的输入端之间连接，胸鳍CPG模块和身体CPG模块相互间传送耦合权值和耦合相位差；胸鳍CPG模块的输入端、身体CPG模块的输入端分别与主控制器的输出端连接，接收两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号和两栖仿生机器人身体运动的控制信号，身体CPG模块将两栖仿生机器人身体运动的控制信号生成并输出控制两栖仿生机器人四个关节舵机实现仿鱼游动协调摆动的正弦波振荡信号χ₁和χ₇、χ₂和χ₈、χ₃和χ₉、χ₄和χ₁₀的差值；胸鳍CPG模块将两栖仿生机器人身体运动的控制信号生成并输出控制两栖仿生机器人左胸鳍舵机和左驱动轮运动的正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值及控制两栖仿生机器人右胸鳍舵机和右驱动轮运动的正弦波振荡信号χ₆和χ₁₂的差值。

本发明的有益效果：本发明对一种仿鱼型的两栖仿生机器人水陆运动控制进行研究，探索基于液位传感反馈的水陆步态自主切换控制策略，将为两栖仿生机器人在自然环境下的自主运动提供一定的理论参考，其理论成果将为研制复杂水陆两栖环境下的自主推进器提供技术支撑，在民用方面可为近海、港口及滩涂地区的科学考察、生态监测、安全检查、水产养殖及搜索救援等提供新型服务机器人；在军事方面，利用其良好的环境适应性和隐蔽性，可用于两栖侦察、探测、扫雷、通讯中继等，为近海两栖作战新概念武器设计提供新思路、新方法。本发明充分利用两栖仿生机器人地面和水下运动的特点，提出了耦合液位传感反馈的水陆复合CPG(Central Pattern Generator，中枢模式发生器)网络模型，包括模型的结构框架和振荡器间的耦合关系。利用该CPG模型，借助于液位传感反馈能够完成两栖仿生机器人地面关节锁定和水下关节往复摆动等行为，结合具体的传感反馈装置，最终在我们研制的两栖仿生机器人平台上集成，同时实现地面和水下运动步态的自主切换。实验结果表明了所提出的运动控制方法的有效性，很好地模仿了两栖生物的真实运动，具有一定的理论参考价值。

附图说明

图1是基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制框图；

图2是两栖仿生机器人关节运动示意图；

图3a-图3c是两栖仿生机器人CPG网络模型；

图4a是地面运动CPG振荡器的输出波形；

图4b是地面运动各个关节的关节角控制信号；

图5a是水下运动CPG振荡器的输出波形；

图5b是水下运动各个关节的关节角控制信号；

图6a是水陆两栖复合运动外界输入激励；

图6b是水陆两栖复合运动CPG振荡器的输出波形；

图6c是水陆两栖复合运动各个关节的关节角控制信号；

图7a是两栖仿生机器人从地面到水下的入水视频截图；

图7b是两栖仿生机器人从水下到地面的出水视频截图。

具体实施方式

下面结合附图对基于液位传感反馈的两栖仿生机器人水陆运动控制方法做出说明。

一、两栖仿生机器人运动方式

图1给出了本发明方法使用的两栖仿生机器人运动控制装置框图，包括控制模块1、头部光电液位传感器2、尾部光电液位传感器3、主控制器4、胸鳍CPG(CPG为Central Pattern Generator，中枢模式发生器)模块5、身体CPG模块6，左胸鳍舵机7、右胸鳍舵机8、左驱动轮9、右驱动轮10、四个关节舵机11，其中：

控制模块1的输入端接收远程遥控发送来的运动控制指令，并将运动控制指令生成并输出两栖仿生机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r；控制模块1是手动控制模块。

头部光电液位传感器2和尾部光电液位传感器3采集环境信息，并将环境信息生成并输出自主切换两栖仿生机器人水、陆步态的控制信号，实现地面关节锁定和水下关节往复摆动的运动形式；

主控制器4的输入端分别连接控制模块1的输出端、头部光电液位传感器2的输出端和尾部光电液位传感器3的输出端，主控制器4接收两栖仿生机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r、两栖仿生机器人水、陆步态的控制信号，并生成及输出两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号和两栖仿生机器人身体运动的控制信号；通过远程遥控调节左右侧激励指令信号d_l和d_r，将产生机器人的水、陆运动模式；当左右侧激励指令信号d_l和d_r相同且大于激励门限时，两栖仿生机器人直行；当左右侧激励指令信号d_l和d_r大于激励门限时，两栖仿生机器人转弯，其中，当左侧激励指令信号d_l大于右侧激励指令信号d_r时，两栖仿生机器人右转，反之左转；

胸鳍CPG模块5的输入端与身体CPG模块6的输入端之间连接，胸鳍CPG模块5和身体CPG模块6相互间传送耦合权值和耦合相位差；胸鳍CPG模块5的输入端、身体CPG模块6的输入端分别与主控制器4的输出端连接，接收两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号和两栖仿生机器人身体运动的控制信号，身体CPG模块6将两栖仿生机器人身体运动的控制信号生成并输出控制两栖仿生机器人四个关节舵机11实现仿鱼游动协调摆动的正弦波振荡信号χ₁和χ₇、χ₂和χ₈、χ₃和χ₉、χ₄和χ₁₀的差值；胸鳍CPG模块5将两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号生成并输出控制两栖仿生机器人左胸鳍舵机7和左驱动轮9运动的正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值及控制两栖仿生机器人右胸鳍舵机8和右驱动轮10运动的正弦波振荡信号χ₆和χ₁₂的差值。

图1中所示头部光电液位传感器2、尾部光电液位传感器3用于感知水陆环境状态，触发两栖仿生机器人的自主运动，包括入水、出水时的步态切换，为两栖仿生机器人的自动控制方式，其中自动控制方式下主控制器4接收到的左、右侧激励指令信号d_l和d_r为自主模式下预定义的初值，预先存储于主控制器4内，并不是通过遥控发送的，属于自主方式。所述头部光电液位传感器2和尾部光电液位传感器3根据水陆环境输出不同的高低电平信号，其中：在陆地环境下输出高电平信号，在水下环境下输出低电平信号。所述头部光电液位传感器2和尾部光电液位传感器3输出高电平信号时，控制每个关节舵机运动的两个振荡器间的耦合相位差为0；所述头部光电液位传感器2和尾部光电液位传感器3输出低电平信号时，控制每个关节舵机运动的两个振荡器间的耦合相位差为π。

图2给出了本发明方法使用的两栖仿生机器人机构运动结构示意图，其中左胸鳍舵机7和右胸鳍舵机8对称分布在两栖仿生机器人头部、左驱动轮9和右驱动轮10对称分布在两栖仿生机器人头部，图2中右胸鳍舵机8和右驱动轮10为示意性位置的标示，左胸鳍舵机7和左驱动轮9分别在水下和地面环境下分时使用，统称为头部左关节J5，右胸鳍舵机8和右驱动轮10分别在水下和地面环境下分时使用，统称为头部右关节J6，图2中头部右关节J6为示意性位置的标示；所述关节舵机11包括第一关节舵机111、第二关节舵机112、第三关节舵机113和第四关节舵机114，第一关节舵机111与第一身体摆动关节J1机械连接、第二关节舵机112与第二身体摆动关节J2机械连接、第三关节舵机113与第三身体摆动关节J3机械连接、第四关节舵机114与第四身体摆动关节J4机械连接，所述第一关节舵机111、第二关节舵机112、第三关节舵机113和第四关节舵机114依纵轴方向顺序布置，形成一个顺序连接的摆动链，其协调摆动可实现仿鱼游动。两栖仿生机器人机构设计为多模态两栖仿生机器人为公知技术，在此不再赘述。

图3a至图3c给出了本发明方法使用的CPG网络模型，CPG网络模型由胸鳍CPG模块和身体CPG模块构成的控制模型。该控制模型共包括十二个振荡器，分成六组，每组的两个振荡器输出的正弦波振荡信号的差值分别用来控制一个关节运动；六组振荡器间通过耦合权值和耦合相位差连接，每组振荡器间的耦合相位差可取0或π，取0时，实现关节锁定完成地面爬行运动，当取π时，实现关节往复摆动完成水下游动；通过液位传感器探测到的环境信息改变每组振荡器间的耦合相位差可实现关节锁定和关节往复摆动的自主切换；通过控制模块产生左、右侧激励指令信号，对十二个振荡器的内在频率和内在幅值进行调节，产生两栖仿生机器人胸鳍运动和身体运动的控制信号。所述CPG网络构型根据振荡器间的连接方式(带方向的弧线箭头所示)不同有不同的表现形式，图3a至图3c给出了胸鳍CPG模块5和身体CPG模块6三种基本的网络构型，图中示出：胸鳍CPG模块5包括的四个振荡器为第O5振荡器51、第O6振荡器52、第O11振荡器53和第O12振荡器54；身体CPG模块6包括的八个振荡器，在每个摆动关节上设有两个所述的振荡器；所述八个振荡器包括：第O1振荡器611、第O7振荡器612、第O2振荡器621、第O8振荡器622、第O3振荡器631、第O9振荡器632、第O4振荡器641和第O10振荡器642。

为了描述方便，将所述的振荡器分别按照序号和图3a中的分布位置两种方式进行分类，其中：

将所述的振荡器按序号分成两组振荡器为第Oi振荡器和第Oi+6振荡器，i＝1，...，6，其中：所述第Oi振荡器包括：第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641、第O5振荡器51和第O6振荡器52；所述第Oi+6振荡器包括：第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642、第O11振荡器53和第O12振荡器54。

将所述的振荡器按图3a中的分布位置分成两组振荡器为第Oj振荡器和第Oh振荡器，第Oj振荡器位于下半部分，接收左侧激励指令信号d_l，第Oh振荡器位于上半部分，接收右侧激励指令信号d_r，j＝1，...，5，11，h＝6，...，10，12，其中：所述第Oj振荡器包括：第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641、第O5振荡器51和第O11振荡器53；所述第Oh振荡器包括：第O6振荡器52、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642和第O12振荡器54。

下面介绍图3a中示出胸鳍CPG模块5的第一个实施例，其中：

第O5振荡器51的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O11振荡器53、第O6振荡器52、第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641的耦合权值和耦合相位差，第O5振荡器51的输出端分别向第O11振荡器53、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₅；

第O6振荡器52的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O12振荡器54、第O5振荡器51、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O6振荡器52的输出端分别向第O12振荡器54、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₆；

第O11振荡器53的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O5振荡器51的耦合权值和耦合相位差，第O11振荡器53的输出端向第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₁；

第O12振荡器54的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O6振荡器52的耦合权值和耦合相位差，第O12振荡器54的输出端向第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₂。

下面介绍图3a中示出身体CPG模块6的第一个实施例，其中：

第O1振荡器611的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器621、第O7振荡器612的耦合权值和耦合相位差，第O1振荡器611的输出端分别向第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁；

第O2振荡器621的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器611、第O3振荡器631、第O8振荡器622的耦合权值和耦合相位差，第O2振荡器621的输出端分别向第O1振荡器611、第O3振荡器631、第O8振荡器622、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₂；

第O3振荡器631的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器621、第O4振荡器641、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O3振荡器631的输出端分别向第O2振荡器621、第O4振荡器641、第O9振荡器632、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₃；

第O4振荡器641的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O3振荡器631、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O4振荡器641的输出端分别向第O3振荡器631、第O10振荡器642、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₄；

第O7振荡器612的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O1振荡器611、第O8振荡器622的耦合权值和耦合相位差，第O7振荡器612的输出端分别向第O1振荡器611、第O8振荡器622、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₇；

第O8振荡器622的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O8振荡器622的输出端分别向第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O9振荡器632、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₈；

第O9振荡器632的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O3振荡器631、第O8振荡器622、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O9振荡器632的输出端分别向第O3振荡器631、第O8振荡器622、第O10振荡器642、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₉；

第O10振荡器642的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O4振荡器641、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O10振荡器642的输出端分别向第4振荡器641、第O9振荡器632、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₀。

下面介绍图3b中示出胸鳍CPG模块5的第二个实施例，其中：

第O5振荡器51的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O11振荡器53、第O6振荡器52、第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641的耦合权值和耦合相位差，第O5振荡器51的输出端分别向第O11振荡器53、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₅；

第O6振荡器52的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O12振荡器54、第O5振荡器51、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O6振荡器52的输出端分别向第O12振荡器54、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₆；

第O11振荡器53的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O5振荡器51的耦合权值和耦合相位差，第O11振荡器53的输出端向第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₁；

第O12振荡器54的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O6振荡器52的耦合权值和耦合相位差，第O12振荡器54的输出端向第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₂。

下面介绍图3b中示出身体CPG模块6的第二个实施例，其中：

第O1振荡器611的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O7振荡器612的耦合权值和耦合相位差，第O1振荡器611的输出端分别向第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O7振荡器612、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁；

第O2振荡器621的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器611、第O3振荡器631、第O4振荡器641、第O8振荡器622的耦合权值和耦合相位差，第O2振荡器621的输出端分别向第O1振荡器611、第O3振荡器631、第O4振荡器641、第O8振荡器622、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₂；

第O3振荡器631的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O4振荡器641、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O3振荡器631的输出端分别向第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O4振荡器641、第O9振荡器632、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₃；

第O4振荡器641的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O4振荡器641的输出端分别向第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O10振荡器642、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₄；

第O7振荡器612的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O1振荡器611、第O8振荡器622、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O7振荡器612的输出端分别向第O1振荡器611、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₇；

第O8振荡器622的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O9振荡器632、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O8振荡器622的输出端分别向第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O9振荡器632、第O6振荡器52、第O10振荡器642传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₈；

第O9振荡器632的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O3振荡器631、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O9振荡器632的输出端分别向第O3振荡器631、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O10振荡器642、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₉；

第O10振荡器642的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O4振荡器641、第O8振荡器622、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O10振荡器642的输出端分别向第O4振荡器641、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₀。

下面介绍图3c中示出胸鳍CPG模块5的第三个实施例，其中：

第O5振荡器51的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O11振荡器53、第O6振荡器52、第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641的耦合权值和耦合相位差，第O5振荡器51的输出端分别向第O11振荡器53、第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₅；

第O6振荡器52的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O12振荡器54、第O5振荡器51、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O6振荡器52的输出端分别向第O12振荡器54、第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₆；

第O11振荡器53的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O5振荡器51、第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641的耦合权值和耦合相位差，第O11振荡器53的输出端向第O5振荡器51传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₁；

第O12振荡器54的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O6振荡器52、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O12振荡器54的输出端向第O6振荡器52传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₂。

下面介绍图3c中示出身体CPG模块6的第三个实施例，其中：

第O1振荡器611的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器621、第O7振荡器612的耦合权值和耦合相位差，第O1振荡器611的输出端分别向第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O5振荡器51、第O11振荡器53传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁；

第O2振荡器621的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器611、第O3振荡器631、第O8振荡器622的耦合权值和耦合相位差，第O2振荡器621的输出端分别向第O1振荡器611、第O3振荡器631、第O8振荡器622、第O5振荡器51、第O11振荡器53传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₂；

第O3振荡器631的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器621、第O4振荡器641、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O3振荡器631的输出端分别向第O2振荡器621、第O4振荡器641、第O9振荡器632、第O5振荡器51、第O11振荡器53传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₃；

第O4振荡器641的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O3振荡器631、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O4振荡器641的输出端分别向第O3振荡器631、第O10振荡器642、第O5振荡器51、第O11振荡器53传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₄；

第O7振荡器612的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O1振荡器611、第O8振荡器622的耦合权值和耦合相位差，第O7振荡器612的输出端分别向第O1振荡器611、第O8振荡器622第O6振荡器52、第O12振荡器54传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₇；

第O8振荡器622的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O8振荡器622的输出端分别向第O2振荡器621、第O7振荡器612、第O9振荡器632、第O6振荡器52、第O12振荡器54传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₈；

第O9振荡器632的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O3振荡器631、第O8振荡器622、第O10振荡器642的耦合权值和耦合相位差，第O9振荡器632的输出端分别向第O3振荡器631、第O8振荡器622、第O10振荡器642、第O6振荡器52、第O12振荡器54传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₉；

第O10振荡器642的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O4振荡器641、第O9振荡器632的耦合权值和耦合相位差，第O10振荡器642的输出端分别向第O4振荡器641、第O9振荡器632、第O6振荡器52、第O12振荡器54传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₀。

所述的胸鳍CPG模块5中的第O5振荡器51和第O11振荡器53分别输出正弦波的振荡信号χ₅和χ₁₁，两个正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值用于控制左胸鳍舵机7和左驱动轮9运动；第O6振荡器52和第O12振荡器54分别输出正弦波的振荡信号χ₆和χ₁₂，两个正弦波振荡信号的差值用于控制左胸鳍舵机8和右驱动轮10运动。所述的胸鳍CPG模块5，产生控制左胸鳍舵机7和左驱动轮9的两个正弦波振荡信号的第O5振荡器51和第O11振荡器53之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值驱动左驱动轮9动作实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值驱动左胸鳍舵机7动作实现水下运动；产生控制右胸鳍舵机8和右驱动轮10的两个正弦波振荡信号的第O6振荡器52和第O12振荡器54之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₆和χ₁₂的差值驱动右驱动轮10动作实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₆和χ₁₂的差值驱动右胸鳍舵机8动作实现水下运动。

所述的身体CPG模块6中的第O1振荡器611和第O7振荡器612分别输出正弦波的振荡信号χ₁和χ₇，利用正弦波振荡信号χ₁和χ₇的差值用于控制第一关节舵机111，第O2振荡器621和第O8振荡器622分别输出正弦波的振荡信号χ₂和χ₈，利用正弦波振荡信号χ₂和χ₈的差值用于控制第二关节舵机112，第O3振荡器631和第O9振荡器632分别输出正弦波的振荡信号χ₃和χ₉，利用正弦波振荡信号χ₃和χ₉的差值用于控制第三关节舵机113，第O4振荡器641和第O10振荡器642分别输出正弦波的振荡信号χ₄和χ₁₀，利用正弦波振荡信号χ₄和χ₁₀的差值用于控制第四关节舵机114。所述的身体CPG模块6，产生控制第一关节舵机111的两个正弦波振荡信号的第O1振荡器611和第O7振荡器612之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₁和χ₇的差值控制第一关节舵机111锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₁和χ₇的差值控制第一关节舵机111往复摆动实现水下运动；产生控制第二关节舵机112的两个正弦波振荡信号的第O2振荡器621和第O8振荡器622之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₂和χ₈的差值控制第二关节舵机112锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₂和χ₈的差值控制第二关节舵机112往复摆动实现水下运动；产生控制第三关节舵机113的两个正弦波振荡信号的第O3振荡器631和第O9振荡器632之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₃和χ₉的差值控制第三关节舵机113锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₃和χ₉的差值控制第三关节舵机113往复摆动实现水下运动；产生控制第四关节舵机114的两个正弦波振荡信号的第O4振荡器641和第O10振荡器642之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₄和χ₁₀的差值控制第四关节舵机114锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时第，由正弦波的振荡信号χ₄和χ₁₀的差值控制四关节舵机114往复摆动实现水下运动。

二、两栖仿生机器人CPG网络结构

胸鳍CPG模块5和身体CPG模块6作为两栖仿生机器人水陆运动的主控制器4中振荡信号的发生器，所述振荡器所采用的数学模型如公式(1)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_m=2\mathrm{\π}{f}_m+\underset{n\∈T\left(m\right)}{\mathrm{\Σ}}{a}_n{w}_{\mathrm{mn}}\sin ({\mathrm{\φ}}_n-{\mathrm{\φ}}_m-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{mn}})\\ {\stackrel{\·\·}{a}}_m={\mathrm{\τ}}_m\{\frac{{\mathrm{\τ}}_m}{4}(A_m-a_m)-{\stackrel{\·}{a}}_m\}\\ {\mathrm{\χ}}_m=a_m\{1+\cos \left({\mathrm{\φ}}_m\right)\}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，φ_m、φ_n、a_m和a_n为所述振荡器状态变量，φ_m和a_m分别表示所述第Om振荡器的相位和幅值，φ_n和a_n分别表示所述第On振荡器的相位和幅值，

和

分别为φ_m和a_m的一阶导数，

为a_m的二阶导数；f_m和A_m决定第Om振荡器的内在频率和内在幅值；τ_m为时间常量，决定a_m收敛到A_m的速度；第Om振荡器和第On振荡器间的耦合关系由耦合权值w_mn和耦合相位差γ_mn确定，振荡器连接具有方向性，表现为图3a中弧线箭头所指的方向，即w_mn和γ_mn分别为第On振荡器指向第Om振荡器的耦合权值和相位差，w_mn和γ_mn分别为第Om振荡器指向第On振荡器的耦合权值和相位差，T(m)表示向第Om振荡器传送耦合权值和耦合相位差的所有振荡器的集合，当不考虑振荡器间具有自耦合时，m不属于T(m)，χ_m为所述第Om振荡器输出的正弦波振荡信号，即χ_m＝a_m{1+cos(φ_m)}，其中m＝1，...，12，n＝1，...，12，且m≠n，本发明中对所有的第Om振荡器，τ_m＝20s^-1。

两栖仿生机器人的CPG运动控制模型如图3a所示，其中J1-J4是四个身体摆动关节，而J5、J6是头部左关节、头部右关节。对两栖仿生机器人的四个身体关节J1-J4和一对头部关节J5-J6，按照伸肌-屈肌连接关系，每一个运动自由度由一对振荡器构成，即每个关节由两个振荡器构成，且构成该关节的两个振荡器输出的正弦波的振荡信号的差值作为该关节的驱动控制信号；

定义第Oi振荡器与第Oi+6振荡器分别输出的正弦波振荡信号的差值作为该关节舵机的驱动控制信号，即

(i＝1，...，6)分别用于控制四个身体摆动关节和一对头部关节，式中χ_i、χ_i+6分别为由式(1)得到的第Oi振荡器、第Oi+6振荡器输出的正弦波的振荡信号。由于鱼类在游动过程中主要依靠身体和尾部协调推进，而胸鳍主要用于平衡身体和调整航向，其对推进力的贡献并不显著，因此我们定义身体CPG模块6的振荡器与胸鳍CPG模块5的振荡器之间为单向连接关系，且身体CPG模块6的振荡器单向抑制身体CPG模块5的振荡器。

图3a、图3b和图3c中，d_l和d_r代表整个系统的激励指令信号，负责产生两栖仿生机器人各种运动形式的控制指令，同时调节运动步态并对两栖仿生机器人的运动实时在线监控。(当左右侧激励指令信号相同时合记为d，其中l和r分别代表左右侧，后面不再赘述)，分别驱动图3a、图3b和图3c的第Oj振荡器和第Oh振荡器。

决定单个振荡器行为特性的参数为内在频率和内在幅值，为了实现人机交互控制，我们期望能够通过改变左右侧激励指令信号d_l和d_r来实现对两栖仿生机器人各个关节摆动频率和幅值的实时调整。因此，这里引入一种饱和函数，其目的是接收左右侧激励指令信号d_l和d_r，同时输出相应等级的振荡器内在频率和内在幅值信号。饱和函数形式的选取不同，内在频率和内在幅值的变化形式也不尽相同。这里为了简单起见，采用较为简单的线性函数形式，如式(2)、(3)、(4)、(5)所示：

$f_j=g_f\left(d_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{f,j}{d}_i+b_{f,j}& d_{\mathrm{low},j}\&le;d_i\&le;d_{\mathrm{high}}\\ f_{\mathrm{low}-\mathrm{cut}}& 0\&le;d_i<d_{\mathrm{low},j}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$f_h=g_f\left(d_r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{f,h}{d}_r+b_{f,h}& d_{\mathrm{low},h}\&le;d_r\&le;d_{\mathrm{high}}\\ f_{\mathrm{low}-\mathrm{cut}}& 0\&le;d_r<d_{\mathrm{low},h}\end{array}\right.---\left(3\right)$

$A_j=g_A\left(d_l\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{A,j}{d}_l+b_{A,j}& d_{\mathrm{low},j}\&le;d_l\&le;d_{\mathrm{high}}\\ A_{\mathrm{low}-\mathrm{cut}}& 0\&le;d_l<d_{\mathrm{low},j}\end{array}\right.---\left(4\right)$

$A_h=g_A\left(d_r\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{A,h}{d}_r+b_{A,h}& d_{\mathrm{low},h}\&le;d_r\&le;d_{\mathrm{high}}\\ A_{\mathrm{low}-\mathrm{cut}}& 0\&le;d_r<d_{\mathrm{low},h}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，f_j、A_j分别为第Oj振荡器的内在频率和内在幅值，f_h、A_h分别为第Oh振荡器的内在频率和内在幅值，g_f(d_l)、g_A(d_l)表示第Oj振荡器的内在频率和内在幅值为左侧激励指令信号d_l的线性函数，g_f(d_r)、g_A(d_r)表示第Oh振荡器的内在频率和内在幅值为右侧激励指令信号d_r的线性函数，且k_f，j、b_f，j、k_A，j、b_A，j、k_f，h、b_f，h、k_A，h、b_A，h分别为线性函数的斜率和截距参数，定义为k_f，j、b_f，j为第Oj振荡器的内在频率系数，k_A，j、b_A，j为第Oj振荡器的内在幅值系数，k_f，h、b_f，h为第Oh振荡器的内在频率系数，k_A，h、b_A，h为第Oh振荡器的内在幅值系数。本发明中，对构成每个关节的两个振荡器：第Oi振荡器和第Oi+6振荡器，内在频率系数和内在幅值系数相等。d_low，j、d_low，h分别为第Oj振荡器、第Oh振荡器的激励门限，分别表示第Oj振荡器、第Oh振荡器起振的最低激励指令信号，对构成每个关节的两个振荡器，激励门限相等，d_high表示所有振荡器的激励峰值，为预先设定的值。其中，激励峰值满足：当d_l、d_r＞d_high时，限定d_l、d_r＝d_high(本发明中，约定d_high＝5)。f_low-cut和A_low-cut分别表示振荡器的截止频率和截止幅值，这里为简单起见，取f_low-cut＝0，A_low-cut＝0，该值对于所有的十二个振荡器均适用。

由于关节控制信号为构成该关节的两个振荡器输出的正弦波振荡信号的差值，为了保证输出波形的一致性，令所有身体振荡器的内在频率相同，即f_body＝k_f，bodyd_mean+b_f，body，其中d_mean＝(d_l+d_r)/2为左、右侧激励指令信号的平均值，且f_body＝f₁＝…＝f₄＝f₇＝…＝f₁₀，k_f，body＝k_f，1＝…＝k_f，4＝k_f，7＝…＝k_f，10，b_f，body＝b_f，1＝…＝b_f，4＝b_f，7＝…＝b_f，10。左右胸鳍的内在频率系数、内在幅值系数、激励门限相同，即

$k_{f,5}=k_{f,6}=k_{f,11}=k_{f,12}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{k}_{f,\mathrm{pec}},$ $b_{f,5}=b_{f,6}=b_{f,11}=b_{f,12}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{b}_{f,\mathrm{pec}},$

$k_{A,5}=k_{A,6}=k_{A,11}=k_{A,12}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{k}_{A,\mathrm{pec}},$ $b_{A,5}=b_{A,6}=b_{A,11}=b_{A,12}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{b}_{A,\mathrm{pec}},$

$d_{\mathrm{low},5}=d_{\mathrm{low},6}=d_{\mathrm{low},11}=d_{\mathrm{low},12}\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{d}_{\mathrm{low},\mathrm{pec}},$ 其中

表示简记为。

CPG网络的行为特性表现为各个振荡器之间的相互交联作用。为了最终确定CPG网络的输出特性，网络内部振荡器间的耦合关系也尤为重要，其耦合关系体现为式(1)中的耦合权值w_ij和相位差γ_ij。图3a所示CPG网络中共含有十二个振荡器，各个振荡器间既有单向连接，又有双向连接，为了简化处理，我们假定所有的内部连接分享相同的耦合权值，并将CPG网络中振荡器之间的耦合连接定义如下：所有身体CPG模块的振荡器间的耦合权值设定为10，而所有胸鳍CPG模块的振荡器间的耦合权值设定为30。所有身体CPG模块的振荡器到所有胸鳍CPG模块的振荡器之间的耦合权值设定为一个二选值0/100，其中取值0或100由一个预定义的激励抑制值d_inhibit决定，即：当d_mean＜d_inhibit时取w_5，p＝w_6，p+6＝0(p＝1，...，4)，表明低速游动时身体CPG模块的振荡器与胸鳍CPG模块的振荡器无连接，机器鱼依靠胸鳍的单独波动或与身体及尾部的协调摆动前进；当d_mean≥d_inhibit时取w_5，p＝w_6，p+6＝100，此时高速游动状态下，身体CPG模块的振荡器开始抑制胸鳍CPG模块的振荡器，“强迫”胸鳍拍动与身体波动保持一致共同推进鱼体前进。本发明中，我们取d_inhibit＝3.2。除了振荡器之间的耦合权值还需要确定其耦合相位差。按照鱼体波自头部向尾部传播的特点，身体前部关节在相位上领先于后面关节的摆动，即摆动波形由关节J1依次传递到J4。两栖仿生机器人身体CPG模块共由八个振荡器组成：第O1振荡器611、第O2振荡器621、第O3振荡器631、第O4振荡器641、第O7振荡器612、第O8振荡器622、第O9振荡器632、第O10振荡器642、，我们假定八个振荡器间先后两两振荡器间的耦合相位差相同、顺序经过八个振荡器的总相位差刚好为一个完整的周期2π，即振荡器间的相位差定义为2π/8＝π/4，据此可获得图3a、图3b、图3c中身体CPG模块上下邻近振荡器之间的耦合相位差为π/4(向下连接)和-π/4(向上连接)，即γ_2，1＝γ_3，2＝γ_4，3＝π/4，γ_8，7＝γ_9，8＝γ_10，9＝π/4，γ_1，2＝γ_2，3＝γ_3，4＝-π/4，γ_7，8＝γ_8，9＝γ_9，10＝-π/4，而构成每个关节的两个振荡器之间的耦合相位差将会根据水陆环境的不同，分别触发地面仿轮式爬行和水下仿鱼游动两种不同的运动模式，在后续实施例中我们将通过改变构成每个关节的两个振荡器间的耦合相位差来产生自适应的步态控制。为了保证左、右激励指令信号相同时两栖仿生机器人实现直行运动，胸鳍CPG模块振荡器间的耦合相位差定义为γ_6，5＝γ_5，6＝0。身体CPG模块6与胸鳍CPG模块5之间为单向连接关系，为了确定身体CPG模块6的振荡器到胸鳍CPG模块5的振荡器间的耦合相位差，我们假定γ_5，4＝0，则可依次确定{γ_5，1＝3π/4，γ_5，2＝2π/4，γ_5，3＝π/4}，而γ_6，p+6将会根据构成每个身体关节的两个振荡器间的相位差γ_p，p+6递归得到。CPG模型的基本参数如表1所示。

表1CPG模型的基本参数

三、基于光电液位传感器的相位调整机制

为了触发两栖仿生机器人水陆不同环境下的驱动机构和运动形式，我们在两栖仿生机器人的头部底端和尾部推进单元底部分别安装了一个光电液位传感器，用于探测水陆环境信息。液位传感器采集信息将用于调节构成每个关节的两个振荡器间的耦合相位差，来实现水陆环境的步态自主切换控制。定义函数

其中，u表示两栖仿生机器人运动的周围环境状态。令γ_p，p+6＝π/2-sgn(u)·π/2(p＝1，...4)，即：

(1)地面环境下，禁止两栖仿生机器人身体各关节的振荡，即实现关节锁定，γ_p，p+6＝0，使得{γ_6，7＝3π/4，γ_6，8＝π/2，γ_6，9＝π/4，γ_6，10＝0}，φ_p+6＝φ_p，构成身体各关节的两个振荡器以相同频率、相同幅值和相位振荡，使得两个振荡器输出的正弦波振荡信号相减互相抵消，当左右侧激励指令信号相同时实现直行爬动，当左右侧激励指令信号不同时，实现地面转弯运动；

(2)水下游动时，两栖仿生机器人身体各关节的往复振荡产生稳定行波，推动两栖仿生机器人前进，γ_p，p+6＝π，则{γ_6，7＝-π/4，γ_6，8＝-π/2，γ_6，9＝-3π/4，γ_6，10＝-π}，φ_p+6＝φ_p+π，构成身体各关节的两个振荡器以相同频率和相反相位振荡，其输出的差值作为该关节的驱动控制信号，当左右侧激励指令信号相同时实现直游运动，当左右侧激励指令信号不同时实现转弯游动；

由于两栖仿生机器人水陆运动采用不同的驱动机构，为了实现相应驱动机构运动的启动与停止，针对水陆不同运动模式的触发条件，引入临界激励值d_crit和最低激励值d_low(这里，令d_low＝1.0，d_crit＝2.0)，即：

(1)d_low≤d_l，d_r＜d_crit时，对应式(6)中的地面环境，触发两栖仿生机器人的地面运动CPG控制律；

(2)d_crit≤d_l，d_r≤d_high时，对应式(6)中的水下环境，触发两栖仿生机器人的水下运动CPG控制律；

(3)d_l、d_r取其它值时，对应式(6)中的其它情形，CPG模型不发生作用。

需要特别指出的是，在手动模式下通过人为判断两栖仿生机器人环境信息，根据式(6)来调整振荡器间的耦合相位差γ_p，p+6，并通过手动改变左右侧的激励指令信号d_l和d_r使它们满足d_low≤d_l，d_r＜d_crit或d_crit≤d_l，d_r≤d_high，实现水陆模态的手动切换。对于自主控制方式，为了实现水陆运动模态自主切换，利用液位传感器探测到的环境信息对式(6)作出判断，来调整振荡器间的耦合相位差γ_p，p+6，并根据预先存储在主控制器内的左右侧激励指令信号d_l和d_r，触发相应执行机构的动作，以达到期望的环境步态。表2给出了两栖仿生机器人水陆环境运动模态切换规则库。

表2水陆环境运动模态切换规则库

四、水陆步态自主切换机制

1.地面CPG运动控制

两栖仿生机器人的地面运动通过轮式驱动机构实现。为了实现地面上的有效转弯运动，在现有技术“具有柔性结构的移动机器人可变构形式转弯方法”中提出了一种具有最小半径的转弯方式，即根据身体变形程度利用第三个推进单元(对应关节J2)单独偏转(关机锁定)，而其它关节保持在中间位置，且最小转弯半径R与关节J2的锁定角度

满足：

其中L₁、L₂、L₃为两栖仿生机器人机械连杆长度，身体关节的锁定角度为0时该关节保持在中轴位置。振荡器的特征是产生周期性的往复振荡信号，为了使构成每个关节的两个振荡器输出的正弦波振荡信号相减产生一定的关节锁定信号，只能要求两个振荡信号以相同频率、相同幅度和相同相位振荡，为此，令：在d_low≤d_l，d_r＜d_crit时，A_p＝k_A，p_dmean+b_A，p(p＝1，...4)，显然，A_p＝A_p+6(p＝1，...4)，地面环境下，φ_p+6＝φ_p，构成每个关节的两个振荡器相位相同，根据式(1)，χ_p+6＝χ_p，则其中

表示经过一段时间后的近似稳定值，∞代表一定的时间长度，该时间长度与式(1)中的常数τ_m有关。

此外，为了根据左右侧激励指令信号的不同，通过关节J2的偏转实现有效转弯，对第O2振荡器621和第O8振荡器622的内在幅值增加两个偏移量方程：

${\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{e}}_2={\mathrm{\&tau;}}_2\{{\mathrm{\&tau;}}_2(E_2-e_2)/4-{\stackrel{\&CenterDot;}{e}}_2\}---\left(7\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{e}}_8={\mathrm{\&tau;}}_8\{{\mathrm{\&tau;}}_8(E_8-e_8)/4-{\stackrel{\&CenterDot;}{e}}_8\}---\left(8\right)$

其中，E₂和E₈分别为第O2振荡器621和第O8振荡器622的内在幅值偏移量，计算为：E₂＝k_defd_l，E₈＝k_defd_r，k_def为偏移量参数，后面将确定。同时，第O2振荡器621和第O8振荡器622输出的正弦波振荡信号形式修改为：

χ₂＝e₂+a₂cos(φ₂)→E₂+A₂cos(φ₂)

χ₈＝e₈+a₈cos(φ₈)→E₈+A₈cos(φ₈)，

其中→表示经过一段时间后e₂+a₂cos(φ₂)、e₈+a₈cos(φ₈)分别收敛到E₂+A₂cos(φ₂)、E₈+A₈cos(φ₈)。

此时，关节J2的输出控制量为：

其中，d_diff代表左右侧激励指令信号的差值。

从上式可以看出，d_diff＝0时确保两栖仿生机器人在地面上的直行运动，而d_diff≠0将引起转弯运动，且转弯方向和转弯半径直接由d_diff的符号和幅值决定。在实际应用中，两栖仿生机器人转弯推进的舵机偏转角度限制在±60°，由于d_low≤d_l，d_r＜d_crit，即|d_l-d_r|＜1，因此可以确定k_def＝π/3。

两栖仿生机器人地面仿轮式驱动采用Maxon公司的RE-max24直流电机+EPOS24/1控制器，左、右驱动轮转速设定为1000-12000rpm(严格意义上，由于机械损耗不可忽略，实际输出转速会下降)，对应于地面CPG输入激励范围d_low-d_crit，假定d_l＝d_r＝d，即两栖仿生机器人处于地面直行模式，因此对左驱动轮9、右驱动轮10的转速正则化得：

n＝(12000-1000)(d_l-1)/(2-1)+1000   (10)

其中n代表左、右驱动轮在当前直行模式下的转速。

两栖仿生机器人左转时，定义左、右驱动轮转速：

n_r＝n，n_l＝n_r·(R-d_wheel/2)/(R+d_wheel/2)  (11)

其中R为转弯半径，由偏转角

获得，d_wheel为头部左、右驱动轮桨间距(本发明中，d_wheel＝145mm)；两栖仿生机器人右转时，定义左、右驱动轮转速：

n_l＝n，n_r＝n_l·(R-d_wheel/2)/(R+d_wheel/2)    (12)

图4a和图4b显示了地面CPG运动控制的仿真结果，其中χ₁-χ₄、χ₇-χ₁₀分别代表第O1振荡器611-第O4振荡器641、第O7振荡器612-第O10振荡器642输出的正弦波振荡信号。

在0≤t＜12s时，d_l＝d_r＝1.2，构成两栖仿生机器人每个关节的两个振荡器输出相位、频率、幅值均相同的正弦波振荡信号，两个正弦波振荡信号相减相互抵消，两栖仿生机器人直行；在12＜t≤30s时，d_l＝1.2，d_r＝17，左右激励指令信号不对称，两栖仿生机器人开始左转，施加于关节J2上的运动偏转角如图4b所示，为第一关节舵机111的控制量、

为第二关节舵机112的控制量、

为第三关节舵机113的控制量、

为第四关节舵机114的控制量，左驱动轮9、右驱动轮10转速由式(10)-(12)决定。由于地面运动时胸鳍摆动不起作用，依靠轮式驱动，因此对胸鳍拍动不作分析(事实上，根据计算，地面运动时左胸鳍舵机7、右胸鳍舵机8的控制量与图4b中的第一关节舵机111-第三关节舵机113类似，结果为0，即胸鳍不动作)。

2.水下CPG运动控制

两栖仿生机器人的水下游动推进依靠身体各个关节和胸鳍的往复摆动实现，此时胸鳍拍动参与到推进中来。不同于地面CPG控制，水下CPG控制的振荡器内在幅值为：对身体CPG模块的振荡器，A_p＝k_A，pd_l+b_A，p，A_p+6＝k_A，pd_r+b_A，p，φ_p+6＝φ_p+π(p＝1，...4)，对胸鳍CPG模块的振荡器，A₅＝k_A，pecd_l+b_A，pec，A₆＝k_A，pecd_r+b_A，pec，A₁₁＝k_A，pecd_l+b_A，pec，A₁₂＝k_A，pecd_r+b_A，pec，φ₁₁＝φ₅+π，φ₁₂＝φ₆+π。特别地，E₂＝A₂，E₈＝A₈，则

其中，左右侧激励指令信号的差值d_diff决定转弯推进，而左右侧激励指令信号的平均值d_mean决定了关节往复波动的幅值。图5a和图5b所示为水下仿鱼游动的CPG控制波形。χ₁-χ₄、χ₇-χ₁₀分别代表第O1振荡器611-第O4振荡器641、第O7振荡器612-第O10振荡器642输出的正弦波的振荡信号，χ₅-χ₆、χ₁₁-χ₁₂分别代表第O5振荡器51、第O6振荡器62、第O11振荡器53、第O12振荡器54输出的正弦波的振荡信号。其中，t＜5s时，d_l＝d_r＝3.0，由于左右侧激励指令信号相同，构成两栖仿生机器人每个关节的两个振荡器输出幅值和频率相等、相位相反的正弦波振荡信号(图5a)，两个正弦波振荡信号相减产生控制关节波动的往复振荡波形，相应的关节驱动控制信号如图5b所示。5＜t＜10s时，d_l＝2.5，d_r＝4.5，不对称的左右侧激励指令信号产生不对称的内在幅值，根据式(11)将推动两栖仿生机器人向左转弯。特别要指出的是，由于d_l＜d_low，1，d_l＜d_low，2，第O1振荡器611和第O2振荡器621停振，相应的关节J1和J2摆动局限在身体右侧。另外，由于t＜5s时d_inhibit＜d_mean，w_5，p＝w_6，p+6＝0，身体CPG模块的振荡器和胸鳍CPG的振荡器之间无耦合，相互独立振荡；而5＜t＜10s时d_inhibit＞d_mean，w_5，p＝w_6，p+6＝100，身体CPG的振荡器开始抑制胸鳍CPG模块的振荡器，迫使胸鳍CPG模块的振荡器以身体CPG模块的振荡器的内在频率振荡，即1.7Hz(胸鳍CPG模块中，构成左右胸鳍的两组振荡器的内在频率仍然分别为1.55Hz和2.55Hz)，

为第一关节舵机111的控制量、

为第二关节舵机112的控制量、

为第三关节舵机113的控制量、

为第四关节舵机114的控制量、

为左胸鳍舵机7的控制量、

为右胸鳍舵机8的控制量。

3.水陆复合CPG运动控制

通过引入临界激励值d_crit，两栖仿生机器人可根据左右侧激励指令信号的变化切换水陆两栖运动步态，当施加如图6a所示的左右侧激励指令信号时，图6b给出了其水陆运动步态切换的仿真结果。t＜4s时，图6a中左右侧激励指令信号相同，d_l＝d_r＝1＜d_crit，构成每个关节的两个振荡器输出频率、幅值和相位均相同的正弦波振荡信号，如图6b所示，两个正弦波振荡信号的差值为0，如图6c所示，此时，只有左、右驱动轮按照式(10)决定的转速运动，推动两栖仿生机器人执行地面上的直行爬动；4＜t＜8s时，图6a中右侧激励指令信号突然增大为d_r＝1.2，但仍有d_l、d_r＜d_crit，根据式(9)两栖仿生机器人以一定的偏转角度向左转弯，由于两栖仿生机器人采用J2单独偏转转弯，因此图6b中除第O2振荡器621、第O8振荡器622输出的正弦波振荡信号χ₂与χ₈不同外，其它关节所包含的两个振荡器输出的正弦波振荡信号完全相同，因此两个正弦波振荡信号相减后的差值如图6c所示，只有

具有非0的角度偏转量，即关节J2以非0的角度偏移量锁定，而其它关节偏移量仍为0锁定在中轴位置；8＜t＜18s时，图6a中左右侧激励指令信号发生跳变，越过临界激励d_crit，d_l＝d_r＝3＞d_crit，两栖仿生机器人开始切换至游动步态，构成胸鳍和身体每个关节的两个振荡器由同相连接转变为反相连接关系，输出频率相同、幅值相同但相位相反的正弦波振荡信号，如图6b所示，两个正弦波振荡信号相减后的差值确保各个关节产生往复的摆动信号如图6c所示，推动两栖仿生机器人水下直游(要注意的是，由于式(1)具有一定的收敛特性，当激励指令信号改变时，虽然引起相位差γ_p，p+6的随之改变，但由于振荡器的输出收敛到新的输出状态需要一定的时间，因此图6b中构成每个关节的两个振荡器输出并不是在t＝8s时立即反相，而是经过一定的时间后才由同相切换到反相状态，对应图6c中的关节舵机控制量输出经过一段时间稳定切换后才引起振荡运动，与表2中入水时仅胸鳍动作也是吻合的)；18＜t＜24s时，图6a中不对称的左右侧激励指令信号d_l＝2.5、d_r＝4.5＞d_crit触发两栖仿生机器人的转弯游动，相应地，构成两栖仿生机器人每个关节的两个振荡器输出频率相同但幅值不同、相位相反的正弦波振荡信号，如图6b所示，对应图6c中的输出量相对于身体中轴不对称(要注意的是，18＜t＜24s时，由于此时d_l＜d_low，1＝2.8、d_low，2＝2.6，因此第O1振荡器611、第O2振荡器621不起振，对应图6b中的χ₁＝0、χ₂＝0，对应图6c中的

仅在身体中轴一侧振荡，物理上表现为身体关节J1、J2仅在身体中轴右侧往复摆动)。此外，左右胸鳍的不对称振荡(幅值或频率)辅助两栖仿生机器人转弯推进，如图6c所示。两栖仿生机器人从水下到地面的仿真运动同理可得。

五、实验验证

为了验证两栖仿生机器人CPG运动控制方法的有效性，我们利用原理样机在游泳池和野外进行了相关的自主运动实验，实验中所采用的CPG模型基本参数如表1所示。由于安装于两栖仿生机器人头部和尾部的一对光电液位传感器可用于感知外部环境，根据式(6)将触发构成每个关节的两个振荡器间相位差的跳变(由

)，从而引起预存在主控制器内的激励指令信号的自主跳变(由

)，将实现水陆运动模态的自主切换。图7a和图7b给出了水陆自主切换实验的视频截图。

其中，仅当最后一个仿鱼推进单元没入水中，尾部光电液位传感器探测到液位环境时，两栖仿生机器人从爬行步态切换为仿鱼游动步态，反之亦然。两栖仿生机器人入水前的预存在主控制器内的激励指令信号为d_l＝d_r＝1.27，由式(10)，对应的左、右驱动轮转速为n_l＝n_r＝3970≈4000，出水时一旦头部液位传感器感知到陆地环境，预存在主控制器内的激励指令信号自动跳变为d_l＝d_r＝1.91，由式(8)，n_l＝n_r＝11010≈11000，相应的左、右驱动轮转速迅速提升到11000rpm，以推动两栖仿生机器人快速上岸。在两栖仿生机器人出水过程中，由于左、右驱动轮截面较小，轮子与地面接触的有效面积偏小，我们使用皮垫来增大左、右驱动轮与地面间的摩擦力辅助两栖仿生机器人上岸。此外，对于较为复杂地形，可借助转弯运动来调整两栖仿生机器人入水出水前的合适方位和姿态角。

经过上面实验验证了基于光电液位传感反馈的CPG模型在两栖仿生机器人的水陆自主运动步态切换方面可行且效果良好。

如上所述，本发明所提出的基于液位传感反馈CPG模型的控制方法对具有地面仿轮式推进和水下仿鱼游动的两栖仿生机器人有良好的适用性，可实现两栖环境下的步态自主切换。

尽管对本发明的原理结合实施例进行了展示和描述，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明的原理和实质的情况下，对这些实施例进行改变，如两栖仿生机器人尾部关节的数量、表1中的CPG模型参数及其它参数值，如临界激励、激励抑制值等，以及通过广电液位传感器实现水陆自主切换时的预定义激励指令信号、运动方向因子指令信号在机构物理约束范围内根据应用需求均可调整，其范围也落入本发明的权利要求及其等同物所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于包括控制模块、头部光电液位传感器、尾部光电液位传感器、主控制器、胸鳍CPG模块、身体CPG模块，其中：

控制模块的输入端接收远程遥控发送来的运动控制指令，并将运动控制指令生成并输出两栖仿生机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r；

头部光电液位传感器和尾部光电液位传感器采集环境信息，并将环境信息生成并输出自主切换两栖仿生机器人水、陆步态的控制信号，实现地面关节锁定和水下关节往复摆动的运动形式；

主控制器的输入端分别连接控制模块的输出端、头部光电液位传感器的输出端和尾部光电液位传感器的输出端，主控制器接收两栖仿生机器人运动的左、右侧激励指令信号d_l和d_r、两栖仿生机器人水、陆步态的控制信号，并生成及输出两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号和两栖仿生机器人身体运动的控制信号；通过远程遥控调节左右侧激励指令信号d_l和d_r，将产生机器人的水、陆运动模式；当左右侧激励指令信号d_l和d_r相同且大于激励门限时，两栖仿生机器人直行；当左右侧激励指令信号d_l和d_r大于激励门限时，两栖仿生机器人转弯，其中，当左侧激励指令信号d_l大于右侧激励指令信号d_r时，两栖仿生机器人右转，反之左转；

胸鳍CPG模块的输入端与身体CPG模块的输入端之间连接，胸鳍CPG模块和身体CPG模块相互间传送耦合权值和耦合相位差；胸鳍CPG模块的输入端、身体CPG模块的输入端分别与主控制器的输出端连接，接收两栖仿生机器人胸鳍运动的控制信号和两栖仿生机器人身体运动的控制信号，身体CPG模块将两栖仿生机器人身体运动的控制信号生成并输出控制两栖仿生机器人四个关节舵机实现仿鱼游动协调摆动的正弦波振荡信号χ₁和χ₇、χ₂和χ₈、χ₃和χ₉、χ₄和χ₁₀的差值；胸鳍CPG模块将两栖仿生机器人身体运动的控制信号生成并输出控制两栖仿生机器人左胸鳍舵机和左驱动轮运动的正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值及控制两栖仿生机器人右胸鳍舵机和右驱动轮运动的正弦波振荡信号χ₆和χ₁₂的差值，

其中，所述胸鳍CPG模块包括的四个振荡器是第O5振荡器、第O6振荡器、第O11振荡器和第O12振荡器；所述身体CPG模块包括的八个振荡器是第O1振荡器、第O7振荡器、第O2振荡器、第O8振荡器、第O3振荡器、第O9振荡器、第O4振荡器和第O10振荡器，每两个振荡器控制一个关节舵机，第O1振荡器输出振荡信号χ₁，第O2振荡器输出振荡信号χ₂，第O3振荡器输出振荡信号χ₃，第O4振荡器输出振荡信号χ₄，第O5振荡器输出振荡信号χ₅，第O6振荡器输出振荡信号χ₆，第O7振荡器输出振荡信号χ₇，第O8振荡器输出振荡信号χ₈，第O9振荡器输出振荡信号χ₉，第O10振荡器输出振荡信号χ₁₀，第O11振荡器输出振荡信号χ₁₁，第O12振荡器输出振荡信号χ₁₂。

2.如权利要求1所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，

所述胸鳍CPG模块和身体CPG模块相互间传送耦合权值和耦合相位差包括：

第O5振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O11振荡器、第O6振荡器、第O1振荡器、第O2振荡器、第O3振荡器、第O4振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O5振荡器的输出端分别向第O11振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₅；

第O6振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O12振荡器、第O5振荡器、第O7振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O6振荡器的输出端分别向第O12振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₆；

第O11振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O5振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O11振荡器的输出端向第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₁；

第O12振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O6振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O12振荡器的输出端向第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₂；

第O1振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器、第O7振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O1振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O7振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁；

第O2振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器、第O3振荡器、第O8振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O2振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O3振荡器、第O8振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₂；

第O3振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器、第O4振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O3振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O4振荡器、第O9振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₃；

第O4振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O3振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O4振荡器的输出端分别向第O3振荡器、第O10振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₄；

第O7振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O1振荡器、第O8振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O7振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O8振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₇；

第O8振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O2振荡器、第O7振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O8振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O7振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₈；

第O9振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O3振荡器、第O8振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O9振荡器的输出端分别向第O3振荡器、第O8振荡器、第O10振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₉；

第O10振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O4振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O10振荡器的输出端分别向第O4振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₀。

3.如权利要求1所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，所述胸鳍CPG模块包括的四个振荡器是第O5振荡器、第O6振荡器、第O11振荡器和第O12振荡器；所述身体CPG模块包括的八个振荡器是第O1振荡器、第O7振荡器、第O2振荡器、第O8振荡器、第O3振荡器、第O9振荡器、第O4振荡器和第O10振荡器，每两个振荡器控制一个关节舵机；胸鳍CPG模块和身体CPG模块相互间传送耦合权值和耦合相位差包括：

第O5振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O11振荡器、第O6振荡器、第O1振荡器、第O2振荡器、第O3振荡器、第O4振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O5振荡器的输出端分别向第O11振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₅；

第O6振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O12振荡器、第O5振荡器、第O7振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O6振荡器的输出端分别向第O12振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₆；

第O11振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O5振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O11振荡器的输出端向第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₁；

第O12振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O6振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O12振荡器的输出端向第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₂；

第O1振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器、第O3振荡器、第O7振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O1振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O3振荡器、第O7振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁；

第O2振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器、第O3振荡器、第O4振荡器、第O8振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O2振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O3振荡器、第O4振荡器、第O8振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₂；

第O3振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器、第O2振荡器、第O4振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O3振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O2振荡器、第O4振荡器、第O9振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₃；

第O4振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器、第O3振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O4振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O3振荡器、第O10振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₄；

第O7振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O1振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O7振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₇；

第O8振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O2振荡器、第O7振荡器、第O9振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O8振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O7振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器、第O10振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₈；

第O9振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O3振荡器、第O7振荡器、第O8振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O9振荡器的输出端分别向第O3振荡器、第O7振荡器、第O8振荡器、第O10振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₉；

第O10振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O4振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O10振荡器的输出端分别向第O4振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₀。

4.如权利要求1所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，所述胸鳍CPG模块包括的四个振荡器是第O5振荡器、第O6振荡器、第O11振荡器和第O12振荡器；所述身体CPG模块包括的八个振荡器是第O1振荡器、第O7振荡器、第O2振荡器、第O8振荡器、第O3振荡器、第O9振荡器、第O4振荡器和第O10振荡器，每两个振荡器控制一个关节舵机；胸鳍CPG模块和身体CPG模块相互间传送耦合权值和耦合相位差包括：

第O5振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O11振荡器、第O6振荡器、第O1振荡器、第O2振荡器、第O3振荡器、第O4振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O5振荡器的输出端分别向第O11振荡器、第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₅；

第O6振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O12振荡器、第O5振荡器、第O7振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O6振荡器的输出端分别向第O12振荡器、第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₆；

第O11振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O5振荡器、第O1振荡器、第O2振荡器、第O3振荡器、第O4振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O11振荡器的输出端向第O5振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₁；

第O12振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O6振荡器、第O7振荡器、第O8振荡器、第O9振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O12振荡器的输出端向第O6振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₂；

第O1振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器、第O7振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O1振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O7振荡器、第O5振荡器、第O11振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁；

第O2振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O1振荡器、第O3振荡器、第O8振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O2振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O3振荡器、第O8振荡器、第O5振荡器、第O11振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₂；

第O3振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O2振荡器、第O4振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O3振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O4振荡器、第O9振荡器、第O5振荡器、第O11振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₃；

第O4振荡器的输入端接收左侧激励指令信号d_l，及分别接收第O3振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O4振荡器的输出端分别向第O3振荡器、第O10振荡器、第O5振荡器、第O11振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₄；

第O7振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O1振荡器、第O8振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O7振荡器的输出端分别向第O1振荡器、第O8振荡器第O6振荡器、第O12振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₇；

第O8振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O2振荡器、第O7振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O8振荡器的输出端分别向第O2振荡器、第O7振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器、第O12振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₈；

第O9振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O3振荡器、第O8振荡器、第O10振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O9振荡器的输出端分别向第O3振荡器、第O8振荡器、第O10振荡器、第O6振荡器、第O12振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₉；

第O10振荡器的输入端接收右侧激励指令信号d_r，及分别接收第O4振荡器、第O9振荡器的耦合权值和耦合相位差，第O10振荡器的输出端分别向第O4振荡器、第O9振荡器、第O6振荡器、第O12振荡器传送耦合权值和耦合相位差，及向外输出正弦波的振荡信号χ₁₀。

5.如权利要求2所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，第O5振荡器和第O11振荡器的输出端分别输出正弦波的振荡信号χ₅和χ₁₁，第O6振荡器和第O12振荡器的输出端分别输出正弦波的振荡信号χ₆和χ₁₂；

第O5振荡器和第O11振荡器之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值驱动左驱动轮动作实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波振荡信号χ₅和χ₁₁的差值驱动左胸鳍舵机动作实现水下运动；

第O6振荡器和第O12振荡器之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₆和χ₁₂的差值驱动右驱动轮动作实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₆和χ₁₂的差值驱动右胸鳍舵机动作实现水下运动。

6.如权利要求2所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，第O1振荡器和第O7振荡器分别输出正弦波的振荡信号χ₁和χ₇的差值控制第一关节舵机；第O2振荡器和第O8振荡器分别输出正弦波的振荡信号χ₂和χ₈的差值控制第二关节舵机；第O3振荡器和第O9振荡器分别输出正弦波的振荡信号χ₃和χ₉的差值控制第三关节舵机；第O4振荡器和第O10振荡器分别输出正弦波的振荡信号χ₄和χ₁₀的差值控制第四关节舵机；

第O1振荡器和第O7振荡器之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₁和χ₇的差值控制第一关节舵机锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₁和χ₇的差值控制第一关节舵机往复摆动实现水下运动；

第O2振荡器和第O8振荡器之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₂和χ₈的差值控制第二关节舵机锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₂和χ₈的差值控制第二关节舵机往复摆动实现水下运动；

第O3振荡器和第O9振荡器之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₃和χ₉的差值控制第三关节舵机锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₃和χ₉的差值控制第三关节舵机往复摆动实现水下运动；

第O4振荡器和第O10振荡器之间通过耦合权值和耦合相位差耦合连接，当耦合相位差为0时，由正弦波的振荡信号χ₄和χ₁₀的差值控制第四关节舵机锁定实现地面运动，当耦合相位差为π时，由正弦波的振荡信号χ₄和χ₁₀的差值控制第四关节舵机往复摆动实现水下运动。

7.如权利要求1所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，所述头部光电液位传感器和尾部光电液位传感器根据水陆环境输出不同的高低电平信号，其中：在陆地环境下输出高电平信号，在水下环境下输出低电平信号。

8.如权利要求7所述基于液位传感反馈的两栖仿生机器人运动控制装置，其特征在于，所述头部光电液位传感器和尾部光电液位传感器输出高电平信号时，控制每个关节舵机运动的两个振荡器间的耦合相位差为0；所述头部光电液位传感器和尾部光电液位传感器输出低电平信号时，控制每个关节舵机运动的两个振荡器间的耦合相位差为π。

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