CN108724184A - 一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，该中枢模式发生器是通过对一种谐波振荡器数学模型的改进，对原本耦合在一起的参数进行了解耦处理，这样输出信号的特征可以单独控制。把该中枢模式发生器用于步行机器人控制，可以单独控制机器人的步态，占地系数和运动周期，使机器人运动更加灵活，降低了对机器人控制的复杂程度，并且可以增加步行机器人对自然环境的适应性及运动稳定性。

Description

一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及仿生步行机器人运动控制，具体涉及一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器。

背景技术

随着科学技术的发展，人类正在逐步地扩大对自然界的探索领域，有些人类不能进入或对人身会造成较大伤害的领域，可以依靠机器人对这些领域进行实地探索。足式机器人具有很强的环境适应能力，运动也比较灵活，它所具有的这些特点是其他机器人无法比拟的。由于这些特殊环境的特殊性，这就对机器人的运动控制有了更高的要求。

在传统的基于模型的控制思想下，机器人的步态产生及转换需要对运动过程每一个细节进行精确人工规划，通过计算机高层控制产生步态或实现步态转换。这种规划的步态缺乏灵活的在线修改及自组织能力，与真正的动物步态存在很大差别。将仿生模型应用于步行机器人控制上，仿生模型的输出信号可以控制机器人运动模式的产生及转换，并且可以影响机器人对自然环境的适应性及运动稳定性。但现有的仿生模型微分方程具有非线性、强耦合和高维数的特点，参数整定和模型的动态分析比较复杂，并且无法很好的控制机器人足端轨迹。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，解决现有技术中的仿生模型微分方程的参数整定和动态分析较复杂，无法很好的控制机器人足端轨迹的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，所述中枢模式发生器可控制机器人的步态进行切换，通过式(1)建立中枢模式发生器的数学模型：

式(1)中，x，y为中枢模式发生器的输出信号；分别为x，y的微分；μ₁，μ₂为外部反馈项；T为振荡器的振荡周期；κ为升降比，0<κ<1；α为输出信号x在上升状态和下降状态之间的切换速度；σ₁和σ均为中间参数。

进一步地，所述升降比κ按照式(2)所示的线性关系进行变化：

式(2)中，κ₀为步态切换前的升降比，κ₁为步态切换后的升降比，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

进一步地，所述振荡器的振荡周期T按照式(3)所示的线性关系进行变化：

式(3)中，T'为步态切换前的振荡周期，T₁为步态切换后的振荡周期，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

进一步地，所述中枢模式发生器的数学模型用于六足机器人时，则六足机器人的六条腿的控制信号x_i(t)如式(4)：

式(4)中，x_i为六足机器人第i条腿的控制信号，γ为相位延时系数。

进一步地，所述相位延时系数γ按照式(5)所示的线性关系进行变化：

式(5)中，γ₀为步态切换前的相位延时系数，γ₁为步态切换后的相位延时系数，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明可单独控制步行机器人的步态、占空比和运动周期，使机器人运动更加灵活，降低对机器人控制的复杂程度。

附图说明

图1是本发明的振动器输出及延时的模型示意图；

图2(a)是本发明中改变升降比的信号输出图；图2(b)为对应的机器人步态图；

图3(a)是本发明中改变振荡频率的信号输出；图3(b)为对应的机器人步态图；

图4(a)是本发明中改变相位时的信号输出；图4(b)为对应的机器人步态图。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明通过将控制输出信号x和y的升降比κ、振荡周期T、相位延时系数γ的参数输入中枢模式发生器中，使得中枢模式发生器输出可以控制机器人步态的信号x和y，机器人通过信号x和y进行步态的变化。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，通过式(1)建立中枢模式发生器的数学模型：

式(1)中，x，y为中枢模式发生器的输出信号；分别为x，y的微分；μ₁，μ₂为外部反馈项；T为振荡器的振荡周期；κ为升降比，0<κ<1；α为输出信号x在上升状态和下降状态之间的切换速度；σ₁和σ均为中间参数。

本实施例中，x，y均为中枢发生器的输出信号，x和y之间有一个固定的相位差，如图1所示，x和y均为正弦或余弦信号，x和y之间的相位差为个周期。

本实施例中，机器人的两种步态分别是悬空状态和蹬地状态，输出信号x在上升状态和下降状态之间进行切换，当输出信号x在上升状态时，机器人的步态为悬空状态，当输出信号x在下降状态时，机器人的步态为蹬地状态；其中y>0时，输出信号x在下降状态；y<0时，输出信号x在上升状态。

本发明可通过改变输出信号的升降比，振荡器输出信号的升降比用于调节机器人的占地系数。由于在自然环境下的地形变化是随机的，所以机器人占地系数切换也可能是随机的，为使控制信号切换的平滑型，使升降比κ按线性关系进行变化：

升降比κ按照式(2)所示的线性关系进行变化：

式(2)中，κ₀为步态切换前的升降比，κ₁为步态切换后的升降比，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

如图2所示，κ₀为κ₁为图2(a)中的RH、RM、RF、LH、LM、LF分别为六足机器人的六条腿，从图2(a)中可以看出，在0-5s时间中，六条腿的控制信号上升状态的占空比明显小于下降状态的占空比，但经过5-25s的线性变化后，在25-30s时上升状态的占空比于下降状态的占空比基本相同，完成了一个线性的变化。图2(b)则用黑色和白色分别表示机器人的两种步态，从图2(b)可以看出机器人的步态并没有发生变化，一直是三条腿(RH、RF、LM)同时进行一种步态，另三条腿(RM、LH、LF)进行另一种步态。

改变振荡器输出信号的振荡频率，振荡器输出信号的振荡频率用于调节步行机器人的运动周期。为了使机器人可以实现无极变速，且速度变换过程具有一定的平滑性，则机器人的运动周期应该能够实现连续变化。

振荡器的振荡周期T按照式(3)所示的线性关系进行变化：

式(3)中，T'为步态切换前的振荡周期，T₁为步态切换后的振荡周期，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

如图3所示，T'为1.5s，T₁为0.5s，从图2(a)中可以看出六条腿的控制信号频率变大，周期变短，并且周期呈线性变化。图2(b)中也可以看出虽然控制信号的周期发生了变化，但机器人的步态并没有发生变化。

本发明将中枢模式发生器的数学模型用于六足机器人时，则六足机器人的六条腿的控制信号x_i(t)如式(4)：

式(4)中，x_i为六足机器人第i条腿的控制信号，γ为相位延时系数。

将参数解耦振荡器模型作为中枢模式发生器用于控制六足步行机器人时，改变相位延时系数γ时的信号输出和机器人的步态图。改变振荡器输出信号的相位，振荡器输出信号的相位变化用于调节步行机器人的运动步态。

相位延时系数γ按照式(5)所示的线性关系进行变化：

式(5)中，γ₀为步态切换前的相位延时系数，γ₁为步态切换后的相位延时系数，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

如图4所示，γ₀为γ₁为从图4(a)可以看出，改变相位延时系数γ，控制信号的升降比和振动周期均没有发生变化，而从图4(b)中可以看出，机器人的步态发生了改变。

Claims (5)

1.一种关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，其特征在于，通过式(1)建立中枢模式发生器的数学模型：

式(1)中，x，y为中枢模式发生器的输出信号；分别为x，y的微分；μ₁，μ₂为外部反馈项；T为振荡器的振荡周期；κ为升降比，0<κ<1；α为输出信号x在上升状态和下降状态之间的切换速度；σ₁和σ均为中间参数。

2.根据权利要求1所述的关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，其特征在于，所述升降比κ按照式(2)所示的线性关系进行变化：

式(2)中，κ₀为步态切换前的升降比，κ₁为步态切换后的升降比，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

3.根据权利要求1所述的关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，其特征在于，所述振荡器的振荡周期T按照式(3)所示的线性关系进行变化：

式(3)中，T'为步态切换前的振荡周期，T₁为步态切换后的振荡周期，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。

4.根据权利要求1所述的关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，其特征在于，所述中枢模式发生器的数学模型用于六足机器人时，则六足机器人的六条腿的控制信号x_i(t)如式(4)：

式(4)中，x_i为六足机器人第i条腿的控制信号，γ为相位延时系数。

5.根据权利要求4所述的关键参数解耦振荡器的中枢模式发生器，其特征在于，所述相位延时系数γ按照式(5)所示的线性关系进行变化：

式(5)中，γ₀为步态切换前的相位延时系数，γ₁为步态切换后的相位延时系数，T₀为步态切换所需时间，t为时间，0≤t≤T₀。