CN108594661A - 一种基于cpg的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，包括步骤为：步骤1，CPG网络模型建立；步骤2，节律信号输出；步骤3，函数映射和步骤4，运动执行。本发明根据机器人轮、腿运动模式的不同，将周期性变化信号映射为相应模式的运动控制函数，实现轮、腿运动模式的平稳快速切换。从而具有计算简单、控制方便的特点，环境适应性和鲁棒性都得到了提升，且利用开关量切换机器人的轮、腿运动模式，并利用Sigmoid函数方法对切换过程中的控制信号进行过渡平滑，在运动中实现轮、腿运动模式的平稳快速切换。另外，在轮、腿运动模式转换过程中，机器人仍能继续向前运动，无需动作暂停。

Description

一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人仿生运动控制技术领域，特别是一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法。

背景技术

轮腿复合式机器人兼具轮式机器人的高速、高效运动和腿式机器人的地形适应性，多年来一直是地面移动机器人的研究热点。中国发明CN201610048470.4公开了一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构，通过两个动力机配合控制，收、放绳索切换机器人的轮腿模式。

目前，针对轮腿复合式机器人的控制方法，主要采用基于模型的控制方法，这种方法虽然可以获得精确的运动轨迹和落脚点，但是计算复杂、效率低，不具实时性和环境适应性，而且轮、腿运动模式转换过程中，多数需要使机器人处于运动暂停状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，该基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法根据机器人轮、腿运动模式的不同，将周期性变化信号映射为相应模式的运动控制函数，实现轮、腿运动模式的平稳快速切换，且在轮、腿运动模式转换过程中，机器人仍能继续向前运动。同时，还具有计算简单、控制方便的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，包括如下步骤。

步骤1，CPG网络模型建立：轮腿复合式机器人具有四个轮腿机构，每个轮腿机构连接一个CPG振荡器，四个CPG振荡器耦合形成CPG网络。

步骤2，节律信号输出：控制中枢发出运动模式命令给步骤1建立的CPG网络，CPG网络产生具有固定相位差的周期性的节律信号输出φ。

步骤3，函数映射：映射函数将步骤2中的节律信号输出φ映射为轮模式和腿模式下髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号，具体表示为：

轮模式

腿模式

其中，θ_h、θ_k分别表示机器人的髋、膝关节运动控制信号，φ为CPG振荡器的节律信号输出，θ₀表示轮运动模式时膝关节的固定角度，T为振荡器周期，A_h、A_k分别表示髋、膝关节的摆动幅度。

步骤4，运动执行：各个轮腿机构中的髋、膝关节按照步骤3函数映射后的关节运动轨迹控制信号进行运动。

步骤3中，在轮腿切换过程中，采用Sigmoid函数将步骤2中的节律信号输出φ进行平滑，平滑后的髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号表示为：

式中，θ_i+1、θ_i分别表示轮腿转换后的目标输出和轮腿转换前的初始输出；φ_a为轮、腿转换时刻的节律信号输出；τ为过渡时间的节律信号输出；a为平滑速率。

步骤2中，控制中枢通过开关量进行运动模式的切换，公示表示如下：

χ＝Γχ_w+(1-Γ)χ_l，Γ＝1或0

其中，Γ为开关量，χ表示机器人的运动模式，χ_w、χ_l分别表示机器人的轮模式和腿模式。

步骤1中，每个CPG振荡器均为Kuramoto相位振荡器，CPG网络为Kuramoto模型，具体表示如下：

式中，φ为节律信号输出，是关于时间t的函数；i、j分别代表第i、j个CPG振荡器，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3或4；φ_i表示第i个CPG振荡器的节律信号输出；φ_j表示第j个CPG振荡器的节律信号输出；ω表示CPG振荡器频率；k_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的耦合系数，Δ_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差。

步骤2中，控制中枢还发出运动速度、转向或腿模式下的步态切换命令给步骤1建立的CPG网络。

腿模式包括行走步态和小跑步态，行走步态walk和小跑步态trot的固定相位差矩阵Δ分别为：

步骤2中，控制中枢通过改变固定相位差矩阵Δ来实现行走步态walk和小跑步态trot的切换。

本发明具有如下有益效果：与现有技术相比，本发明根据机器人轮、腿运动模式的不同，将周期性变化信号映射为相应模式的运动控制函数，实现轮、腿运动模式的平稳快速切换。从而具有计算简单、控制方便的特点，环境适应性和鲁棒性都得到了提升，且能在运动中实现平稳、快速的轮、腿模式切换。另外，在轮、腿运动模式转换过程中，机器人仍能继续向前运动，无需动作暂停。

附图说明

图1显示了本发明基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法的示意图。

图2显示了本发明轮腿复合式机器人的腿模式运动示意图。

图3显示了本发明轮腿复合式机器人的轮模式运动示意图。

图4显示了四个轮腿机构的节律信号输出φ与时间t的曲线示意图。

其中有：

1.CPG振荡器；2.轮腿机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，包括如下步骤。

步骤1，CPG网络模型建立，规划层。

如图2和图3所示，轮腿复合式机器人具有四个轮腿机构，其具体结构如CN201610048470.4所述，这里不再赘述。

每个轮腿机构连接一个CPG振荡器，每个CPG振荡器均优选为Kuramoto相位振荡器，CPG网络优选为Kuramoto模型。

在图1中，LF、RF、LR和RR分别表示左前轮腿机构、右前轮腿机构、左后轮腿机构和右后轮腿机构。LF、RF、LR和RR对应的四个CPG振荡器分别为OSC1、OSC2、OSC3和OSC4，CPG的振荡信号输出通过调制能够控制轮腿对应的关节。

四个CPG振荡器耦合形成如下的CPG网络模型：

式(1)中，i、j分别代表第i、j个CPG振荡器，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3或4；φ_i表示第i个CPG振荡器的节律信号输出；φ_j表示第j个CPG振荡器的节律信号输出。

ω表示CPG振荡器频率，为给定值，能够在控制层进行调节，通过调整ω，进而调节运动速度。

k_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的耦合系数，为给定值，能够在控制层进行调节，用来控制CPG振荡器的收敛速率(控制输出到达耦合要求的速度)，我们在实际仿真中取值为-1，可根据实际调整。

Δ_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差，

式(1)为一阶线性微分方程组，其具体展开为：

φ为节律信号输出，是关于时间t的函数，通过数学求解得出。

步骤2，节律信号输出：控制中枢发出运动模式命令、运动速度、转向或步态切换命令等给步骤1建立的CPG网络，CPG网络产生具有固定相位差的周期性的节律信号输出φ。

运动模式包括轮模式和腿模式，在控制层，控制中枢通过人为或自主改变开关量进行运动模式的切换，公示表示如下：

χ＝Γχ_w+(1-Γ)χ_l，Γ＝1或0

其中，Γ为开关量，χ表示机器人的运动模式，χ_w、χ_l分别表示机器人的轮模式和腿模式。

在控制层，控制中枢还通过人为或自主改变固定相位差矩阵Δ来实现行走步态walk和小跑步态trot等的切换，腿模式包括行走步态和小跑步态等典型步态(我们实验实现了这两种步态，理论上支持所有四足机器人步态)。

行走步态walk和小跑步态trot的固定相位差矩阵Δ分别为：

如图4所示，该图为我们在实际仿真中CPG网络产生的具有固定相位差的周期性的节律信号输出φ的示意图，其中横坐标时间的单位为秒。

步骤3，函数映射，规划层。

映射函数将步骤2中的节律信号输出φ映射为轮模式和腿模式下髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号，具体表示为：

轮模式

腿模式

其中，θ_h、θ_k分别表示机器人的髋、膝关节运动控制信号，φ为CPG振荡器的节律信号输出，θ₀表示轮运动模式时膝关节的固定角度，T为振荡器周期，为给定值，能在控制层中进行调节；A_h、A_k分别表示髋、膝关节的摆动幅度，为给定值，能在控制层中进行调节。

在轮腿切换过程中，采用Sigmoid函数将步骤2中的节律信号输出φ进行平滑，平滑后的髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号表示为：

式中，θ_i+1、θ_i分别表示轮腿转换后的目标输出和轮腿转换前的初始输出，为给定值；φ_a为轮、腿转换时刻的节律信号输出；τ为过渡时间的节律信号输出；a为平滑速率，为给定值，能在控制层中进行调节。

步骤4，运动执行，执行层：各个轮腿机构中的髋、膝关节(也即末端执行机构)按照步骤3函数映射后的关节运动轨迹控制信号(也即关节控制信号)进行运动。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，CPG网络模型建立：轮腿复合式机器人具有四个轮腿机构，每个轮腿机构连接一个CPG振荡器，四个CPG振荡器耦合形成CPG网络；

步骤2，节律信号输出：控制中枢发出运动模式命令给步骤1建立的CPG网络，CPG网络产生具有固定相位差的周期性的节律信号输出φ；

步骤3，函数映射：映射函数将步骤2中的节律信号输出φ映射为轮模式和腿模式下髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号，具体表示为：

轮模式

腿模式

其中，θ_h、θ_k分别表示机器人的髋、膝关节运动控制信号，φ为CPG振荡器的节律信号输出，θ₀表示轮运动模式时膝关节的固定角度，T为振荡器周期，A_h、A_k分别表示髋、膝关节的摆动幅度；

步骤4，运动执行：各个轮腿机构中的髋、膝关节按照步骤3函数映射后的关节运动轨迹控制信号进行运动。

2.根据权利要求1所述的基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，其特征在于：步骤3中，在轮腿切换过程中，采用Sigmoid函数将步骤2中的节律信号输出φ进行平滑，平滑后的髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号表示为：

式中，θ_i+1、θ_i分别表示轮腿转换后的目标输出和轮腿转换前的初始输出；φ_a为轮、腿转换时刻的节律信号输出；τ为过渡时间的节律信号输出；a为平滑速率。

3.根据权利要求1所述的基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，其特征在于：步骤2中，控制中枢通过开关量进行运动模式的切换，公示表示如下：

χ＝Γχ_w+(1-Γ)χ_l，Γ＝1或0

其中，Γ为开关量，χ表示机器人的运动模式，χ_w、χ_l分别表示机器人的轮模式和腿模式。

4.根据权利要求1所述的基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，其特征在于：步骤1中，每个CPG振荡器均为Kuramoto相位振荡器，CPG网络为Kuramoto模型，具体表示如下：

式中，φ为节律信号输出，是关于时间t的函数；i、j分别代表第i、j个CPG振荡器，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3或4；φ_i表示第i个CPG振荡器的节律信号输出；φ_j表示第j个CPG振荡器的节律信号输出；ω表示CPG振荡器频率；k_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的耦合系数，Δ_ij表示第i、j个CPG振荡器之间的固定相位差。

5.根据权利要求1所述的基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，其特征在于：步骤2中，控制中枢还发出运动速度、转向或腿模式下的步态切换命令给步骤1建立的CPG网络。

6.根据权利要求5所述的基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，其特征在于：腿模式包括行走步态和小跑步态，行走步态walk和小跑步态trot的固定相位差矩阵Δ分别为：

步骤2中，控制中枢通过改变固定相位差矩阵Δ来实现行走步态walk和小跑步态trot的切换。