CN109434815A - 一种基于cpg模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法，机器人包括一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块，各个模块之间通过销轴固定连接；所述的头部模块为内部中空结构，用于安装蛇形机器人的控制单元。所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧、连接轴以及被动轮。微型伺服电机通过一个CPG振荡器控制，各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络，CPG振荡器输出信号，控制伺服电机动作，实现轨迹以及刚度的控制。

Description

一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法。

背景技术

自然界中，生物蛇具有较强的环境适应性，能够在各种复杂环境中运动(如刚硬或松软地形、光滑或粗糙地形)。生物蛇的侧向蜿蜒运动是其最高效的运动步态之一。蛇形机器人是一种以生物蛇为原型的多自由度欠驱动仿生机器人，利用关节与连杆模拟生物蛇的脊柱结构。蛇形机器人能够在狭小空间或复杂地形中实现稳定灵活地运动，因此多应用于地震、火灾等灾后搜救领域。

受仿生学的启发，近些年机器人的柔顺特性得到了越来越广泛的关注。为提高蛇形机器人的运动效率和性能，目前主要采用三种方式：(1)通过复杂的控制系统(如力控制系统、阻抗控制等)使刚性机构的蛇形机器人实现柔顺运动，但其控制系统较为复杂；(2)采用全柔性机构的蛇形机器人随具有较好的柔顺性，但其控制精度较低；(3)利用柔性关节(如串联弹性驱动器、变刚度驱动器等)实现蛇形机器人的柔顺运动，其中串联弹性驱动器具有一定的被动式适应性，但其刚度不可调，无法适应复杂环境；变刚度驱动器的机构较为复杂，同时也较大程度地增加了蛇形机器人的造价。因此，亟待设计一种简单的控制方法。

发明内容

本发明提供一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节刚度控制方法，其目的在于提供一种尺寸小、成本低、精度高的定位定向系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：包含一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块，各个模块之间通过销轴固定连接；所述的头部模块为内部中空结构，用于安装蛇形机器人的控制单元；所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机，分别为上微型伺服电机以及下微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧，分别为上关节连接扭簧和下关节连接扭簧、连接轴以及被动轮；所述的上微型伺服电机固定安装在外框的上侧，其输出轴与上关节连接扭簧的中心凸台固定连接，上关节连接扭簧的外边框与连接轴的顶面固定连接，下微型伺服电机固定安装在外框底侧，其输出轴与下关节连接扭簧的中心凸台固定连接，下关节连接扭簧的外边框与连接轴的底面固定连接；同步齿轮卡装在外框的中心位置，与连接轴的侧边齿轮啮合；被动轮的轴穿过外框底侧的轴孔，在连接模块的外框的后侧还设置有连接轴孔，各个连接模块之间通过连接轴与连接轴孔配合连接；所述的尾部模块与连接模块具有相同的内部结构，尾部模块外框的后侧没有扩展连接轴孔；各个微型伺服电机以及下微型伺服电机均通过一个CPG振荡器控制，各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络，CPG振荡器输出信号，控制伺服电机动作。

作为本发明的一种改进，所述的CPG振荡器采用Kuramoto模型建立而成，其振荡器的模块为(1)式所示。

其中，参数θi是振荡器的状态变量，ωi是振荡器的固有频率，wij是振荡器间的耦合权重，Φi是振荡器的输出信号，Ai是蛇形机器人关节摆动的幅值，γi是蛇形机器人运动方向控制参数，δi是蛇形机器人关节刚度控制参数。

作为本发明的一种改进，所述的连接模块设置有9个。

作为本发明的一种改进，所述的外框包括左外框与右外框，左外框与右外框之间通过螺丝固定连接。

本发明还公开了一种基于CPG模型的蛇形机器人的关节轨迹/刚度控制方法，包括如下步骤：

步骤一：蛇形机器人的主控单元根据人工控制要求或传感器反馈信息，调整CPG网络控制参数；

步骤二：在步骤一中所设定的控制参数下，CPG网络能够生成具有固定相位差的相位信号；

步骤三：利用正弦映射函数，将步骤二中CPG网络输出的相位信号映射为蛇形机器人的关节伺服电机的运动轨迹控制信号，各个伺服电机根据运动轨迹控制信号进行运动；

步骤四：蛇形机器人每个关节由两个伺服电机共同驱动控制，单关节内的两个伺服电机的运动轨迹控制信号完全同步，即相位φij、角频率ωi、幅值Ai、偏差γi均相等，不同关节内伺服电机的运动轨迹控制信号的相位φij不同，但角频率ωi、幅值Ai、偏差γi均相等；

步骤五：当外部环境发生改变时(如摩擦力发生改变时)，蛇形机器人为适应当前环境，可以通过改变步骤三映射函数中的参数δi，单关节内的两个伺服电机的运动轨迹控制信号具有位置偏移，该位置偏移将导致关节连接扭簧的被压缩或释放，从而改变蛇形机器人关节的刚度；

步骤六：蛇形机器人的主控单元根据所接收到的传感器反馈信号或新的人工控制要求，重复步骤一至五，调整各个伺服电机运动轨迹控制信号。

有益效果：

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)、具有简单可控刚度的机械结构，提高了蛇形机器人的环境适应性与运动效率；

(2)、提出了基于中枢模式发生器的仿生控制系统，能够同时控制关节轨迹与刚度，有效地降低了蛇形机器人控制系统复杂度。

附图说明

图1蛇形机器人整体结构图

图2蛇形机器人头部模块结构图

图3蛇形机器人连接模块结构图

图4蛇形机器人连接模块内部结构图

图5蛇形机器人连接轴结构图

图6蛇形机器人关节连接扭簧结构图

图7蛇形机器人尾部模块结构图

图8蛇形机器人CPG控制模型架构图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。

参见图1、图2所示，本发明设计的蛇形机器人主要包含一个头部模块1、九个连接模块2以及一个尾部模块3，模块之间通过销轴固定连接。可以通过添加或减少连接模块2实现蛇形机器人的形态规模扩展。头部模块1为内部中空结构，能够安装蛇形机器人的控制单元。

参见图3、图4、图5、图6所示，连接模块2包含右外框201、左外框203、两个微型伺服电机，分别为上微型伺服电机205、下微型伺服电机206、同步齿轮209、两个关节连接扭簧，分别为上关节连接扭簧207、下关节连接扭簧208、连接轴202、被动轮204。

左外框203与右外框201通过螺丝固定连接，微型伺服电机206固定安装在左外框203与右外框201的上侧，其输出轴与关节连接扭簧207的中心凸台固定连接，关节连接扭簧207的外边框与连接轴202的顶面固定连接，上微型伺服电机205固定安装在左外框203与右外框201的底侧，其输出轴与下关节连接扭簧208的中心凸台固定连接，下关节连接扭簧208的外边框与连接轴202的底面固定连接。同步齿轮209卡装在左外框203与右外框201的中心位置，与连接轴202的侧边齿轮啮合。

被动轮204的轴穿过左外框203与右外框201底侧的轴孔。上下微型伺服电机205、206同步运动时，能够共同驱动连接轴202左右摆动。

当上下微型伺服电机205、206完全同步时，该关节具有关节连接扭簧207、208的自然柔性。当蛇形机器人需要关节具有较高刚度时，微型伺服电机205、206转动一定的角度差后，再同步运动，共同驱动连接轴202左右摆动。由于关节连接扭簧207、208受到压缩后，其表现出的刚度值增大，从而提高蛇形机器人的关节刚度。在连接模块2的左外框203与右外框201的后侧还设置有连接轴孔，各个连接模块2之间通过连接轴202与连接轴孔配合连接。

参见图7所示，尾部模块3与连接模块2具有相同的内部结构，其左外框302和右外框301的后侧没有扩展连接轴孔。

参见图8所示，提出的一种基于中枢模式发生器的仿生运动控制器401，用于控制蛇形机器人关机轨迹和关节刚度。蛇形机器人的关节均由两个微型伺服电机控制，因此中枢模式发生器的基本神经单元为两个相互耦合的Kuramoto非线性振荡器，相邻连接模块2中安装在上侧的微型伺服电机所对应的Kuramoto非线性振荡器相互耦合，相邻连接模块2中安装在下侧的微型伺服电机所对应的Kuramoto非线性振荡器相互耦合，Kuramoto非线性振荡器的数学模型为式(1)所示。

其中，参数θ_i是振荡器的状态变量，ω_i是振荡器的固有频率，w_ij是振荡器间的耦合权重，Φ_i是振荡器的输出信号，A_i是蛇形机器人关节摆动的幅值，γ_i是蛇形机器人运动方向控制参数，δ_i是蛇形机器人关节刚度控制参数。

基本神经单元内的两个Kuramoto振荡器产生两路同步信号，参数δ_i控制两个微型伺服电机的偏转角度差值，参数φ_ij控制蛇形机器人关节间的相位差，参数ωi控制蛇形蛇形机器人的运动速度，参数Ai控制蛇形机器人关节摆动幅值，参数γ_i控制蛇形机器人运动方向。该模块由蛇形机器人头部模块内的控制单元进行计算，输出的关节位置控制信息通过总线接口传送给微型伺服电机，从而实现蛇形机器人关节间的协调动作，进而推动蛇形机器人运动。基本神经单元的个数与连接模块2和尾部模块3的个数之和一一对应。当蛇形机器人进行构型扩展时，基于中枢模式发生器的仿生运动控制器401也需要进行相应的扩展。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：包含一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块，各个模块之间通过销轴固定连接；所述的头部模块为内部中空结构，用于安装蛇形机器人的控制单元；所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机，分别为上微型伺服电机以及下微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧，分别为上关节连接扭簧和下关节连接扭簧、连接轴以及被动轮；所述的上微型伺服电机固定安装在外框的上侧，其输出轴与上关节连接扭簧的中心凸台固定连接，上关节连接扭簧的外边框与连接轴的顶面固定连接，下微型伺服电机固定安装在外框底侧，其输出轴与下关节连接扭簧的中心凸台固定连接，下关节连接扭簧的外边框与连接轴的底面固定连接；同步齿轮卡装在外框的中心位置，与连接轴的侧边齿轮啮合；被动轮的轴穿过外框底侧的轴孔，在连接模块的外框的后侧还设置有连接轴孔，各个连接模块之间通过连接轴与连接轴孔配合连接；所述的尾部模块与连接模块具有相同的内部结构，尾部模块外框的后侧没有扩展连接轴孔；各个微型伺服电机以及下微型伺服电机均通过一个CPG振荡器控制，各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络，CPG振荡器输出信号，控制伺服电机动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：所述的CPG振荡器采用Kuramoto模型建立而成，其振荡器的模块为(1)式所示。

其中，参数θ_i是振荡器的状态变量，ω_i是振荡器的固有频率，w_ij是振荡器间的耦合权重，Φ_i是振荡器的输出信号，A_i是蛇形机器人关节摆动的幅值，γ_i是蛇形机器人运动方向控制参数，δ_i是蛇形机器人关节刚度控制参数。

3.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：所述的连接模块设置有9个。

4.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：所述的外框包括左外框与右外框，左外框与右外框之间通过螺丝固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人的关节轨迹/刚度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：蛇形机器人的主控单元根据人工控制要求或传感器反馈信息，调整CPG网络控制参数；

步骤二：在步骤一中所设定的控制参数下，CPG网络能够生成具有固定相位差的相位信号；

步骤三：利用正弦映射函数，将步骤二中CPG网络输出的相位信号映射为蛇形机器人的关节伺服电机的运动轨迹控制信号，各个伺服电机根据运动轨迹控制信号进行运动；

步骤四：蛇形机器人每个关节由两个伺服电机共同驱动控制，单关节内的两个伺服电机的运动轨迹控制信号完全同步，即相位φ_ij、角频率ω_i、幅值A_i、偏差γ_i均相等，不同关节内伺服电机的运动轨迹控制信号的相位φ_ij不同，但角频率ω_i、幅值A_i、偏差γ_i均相等；

步骤五：当外部环境发生改变时，蛇形机器人为适应当前环境，可以通过改变步骤三映射函数中的参数δ_i，单关节内的两个伺服电机的运动轨迹控制信号具有位置偏移，该位置偏移将导致关节连接扭簧的被压缩或释放，从而改变蛇形机器人关节的刚度；

步骤六：蛇形机器人的主控单元根据所接收到的传感器反馈信号或新的人工控制要求，重复步骤一至五，调整各个伺服电机运动轨迹控制信号。