[發明專利]仿生雙足水上行走機器人控制方法

無效

• 申請號: 201210109031.1
• 申請日: 2012-04-13
• 公開（公告）號: CN102759923A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 魏鮮明;徐林森;趙江海;曹凱;孔令成
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 朱小杰

技術領域

本發明屬于仿生學技術領域，涉及一種仿生雙足機器人實現水上行走功能的控制方法。

背景技術

水上機器人可以在危險的水面或沼澤地上工作，在環境檢測、軍事偵查、水中污染物和有毒元素檢測、濕地探測等領域具有廣泛的用途。目前水上機器人的漂浮機理有以下三種支撐方式：表面張力支撐；浮力支撐；通過拍打液體生成氣穴產生的支撐。表面張力支撐要求機器人重量輕、體積小和材料防水。浮力支撐是利用液體的浮力制成機器人，浮力大，適合大型機器人，這兩種方法均有行進速度慢、有效載荷低的缺點。受南美洲蛇怪蜥蜴啟發，利用機器人腳掌拍擊水面，迫使水下沉或從腳掌下方擴散，在腳掌上方及周圍形成氣穴，產生向上的支撐力及向前的驅動力，從而實現水上行走。雙足機器人水上行走時外界環境難以建模、步態規劃有效性低、水面干擾強度很大，傳統的基于模型的精確運動學求解方法無法適用。

發明內容

本發明的目的是對基于蛇怪蜥蜴水上行走機理的雙足機器人施加控制，實現機器人的水上行走。水面環境與陸地環境有明顯的不同，機器人水上行走時環境擾動無法避免，步態規劃難以實施，傳統控制方法無法適用。

為了實現水上行走，本發明提出一種CPG-模糊聯合控制方法。首先利用機電系統聯合仿真得到雙足水上行走機器人的控制數學模型，構建CPG控制模塊和模糊控制模塊的初始化模型，然后對機器人腳掌的節律性運動施加CPG控制，對機器人左右方向的平衡施加模糊控制，并通過傾斜角測量模塊實時測量機器人的傾斜角，得到的信號對模糊控制和CPG控制的輸出進行反饋調整。

所述雙足水上行走機器人控制數學模型是在動力學分析軟件中建立虛擬樣機模型，然后在機電系統聯合仿真的基礎上得到的，外界環境對雙足機器人腳掌的作用通過施加相等的力得到。

所述CPG控制模塊初始化模型是利用雙向Hopf振蕩器構建的，利用兩個Hopf神經元互相連接得到雙向振蕩器網絡，產生兩路輸出信號。

所述模糊控制模塊初始化模型是由傾斜角測量模塊得到的傾斜角度及其變化率作為輸入語言變量的。

所述機器人腳掌節律運動的CPG控制是利用CPG控制模塊得到的兩路輸出信號進行調節的，通過調節CPG模塊的參數，可以得到具有不同頻率和相位關系的兩路輸出信號，施加到雙足機器人的腳掌，即可得到機器人腳掌的不同運動關系。

所述左右方向的模糊控制，模糊控制模塊的輸出用來對機器人左右方向上的動態平衡進行補償控制。

所述傾斜角檢測模塊是由陀螺儀、加速度計測量得出，得到的反饋信號用來對模糊控制模塊以及CPG模塊的參數進行調整。

本發明的有益效果：

本發明所提出的雙足水上行走機器人CPG-模糊聯合控制，避免了復雜的動力學建模，克服了傳統控制方法魯棒性不強的缺點，通過對CPG模塊參數的調整，能夠實現具有多種相位關系和行走速度的步態，易于對腳掌拍打水面產生的上升力及驅動力的大小進行調整，通過模糊控制，克服了水面環境大幅度的擾動，建立了一個模糊控制表，在機器人運行過程中直接查表輸出控制信號，減少了大量計算時間，增強了實時性。通過CPG-模糊控制，能夠實現雙足機器人的水上行走功能。

附圖說明

圖1為仿生雙足水上行走機器人控制結構示意圖；

圖2為仿生雙足水上行走機器人控制硬件框圖；

圖3為仿生雙足水上行走機器人控制軟件流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖舉例對本發明仿生雙足水上行走機器人控制方法做出詳盡說明。

一、仿生雙足水上行走機器人的CPG-模糊聯合控制系統

圖1給出了本發明方法的仿生雙足水上行走機器人控制結構示意圖，包括雙足水上行走機器人機械結構、機器人數學模型、CPG模型參數初始化、CPG模型、模糊控制參數初始化、模糊控制模塊以及傾斜角檢測反饋模塊。雙足水上行走機器人的數學模型是由機電系統聯合仿真得到的非線性模型。水上行走機器人的兩個腿部運動的關節是由CPG模型輸出的振蕩信號控制的。圖1中水上行走機器人內設導軌，導軌上設有質量小球，機器人水上行走時，通過調節質量小球在導軌上的位置來實現左右方向上的動態平衡，質量小球在導軌上的位置是由模糊控制模塊的輸出信號決定的。通過調節CPG模型的參數，能夠調節水上行走所需要的上升力及驅動力。

二、仿生雙足水上行走機器人的數學模型