[發明專利]一種蛇形機器人的仿生CPG運動調控系統及其方法

有效

• 申請號: 202210098019.9
• 申請日: 2022-01-27
• 公開（公告）號: CN114260885B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 宋自根
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: B25J9/06
• 分類號: B25J9/06;B25J9/16;B25J17/02
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

本發明涉及一種蛇形機器人的仿生CPG運動調控系統及其方法，該系統包括多個依次耦合連接的DHCO單元，多個DHCO單元之間的相位差可調節，DHCO單元分別連接有相互垂直放置的兩個相鄰的舵機，DHCO單元用于輸出同步和反同步的穩定節律信號，以控制連接的兩個舵機在水平方向上發生偏航運動或在垂直方向上發生俯仰運動。通過改變DHCO單元之間的相位差，以對應調控蛇形機器人的波動運動方向；通過改變CPG參數，以對應調控蛇形機器人實現不同的運動波形。與現有技術相比，本發明的網絡結構簡單、工程上易實施；所構建的DHCO單元，其神經元輸出模式在一定參數范圍內保持不變，越過參數臨界值后能夠快速切換至另一種完全不同的輸出模式，具有很好的系統魯棒性和參數可調性。

技術領域

本發明涉及仿生機器人技術領域，尤其是涉及一種蛇形機器人的仿生CPG運動調控系統及其方法。

背景技術

隨著仿生機器人技術的發展，具有多個自由度、能夠在狹窄空間穿越的蛇形機器人目前備受科學家和工程界的極大關注。自然界中，生物蛇可以基于不同的蛇形曲線，實現跨介質環境的多模式運動方式，因此，針對特定運動環境下的蛇形機器人步態規劃，由于其具有自由度多、結構復雜、計算量大而難以實施的特點，使得蛇形機器人運動控制的可調節性和魯棒性都比較差。

生物學研究表明，動物之所以具有如此優越的運動性能，是由位于脊髓中的CPG(Central?Pattern?Generator，中樞模式發生器)神經系統的調控實現的，自然界生物蛇常見的運動形式包括水平蜿蜒運動、垂直波動運動、以及側向滾動運動等多種模式。工程上，為了實現蛇形機器人的跨介質多模式運動及其調控，針對具有“水平垂直關節副”結構的多自由度蛇形機器人，Manzoor等2020年在Iranian?Journal?of?Science?and?Technology,Transactions?of?Electrical?Engineering雜志上(文章名：Serpentine?andrectilinear?motion?generation?in?snake?robot?using?central?pattern?generatorwith?gait?transition)提出了一種具有三層網絡結構的CPG神經網絡控制系統，實現了蛇形機器人的水平蜿蜒運動(serpentine)和垂直波動運動(rectilinear)，并在2019年Journal?of?IntelligentRobotic?Systems雜志(文章名：Neural?oscillator?based?CPGfor?various?rhythmic?motions?of?modular?snake?robot?with?active?joints)上公開了蛇形機器人側向翻滾運動(side-winding)以及二步、四步折疊運動(two-/four-stepconcertina?motion)的CPG控制參數；

Qiao等2017年在International?Journal?of?Advanced?Robotic?Systems雜志(文章名：Triple-layered?central?pattern?generator-based?controller?for?3Dlocomotion?control?of?snake-like?robots)公開利用相位振蕩器模型，構建了包含節律生成器層(RGL)、模式生成器層(PGL)以及運動神經元層(MNL)的三層CPG控制系統，以實現蛇形機器人的三維運動模式。此外，中國專利“一種仿蛇搜救機器人多步態控制方法”(申請公開號：CN?105511267?A，申請公開日：2016.04.20)涉及到的是CPG控制器的非周期混沌步態設計；中國專利“一種仿生蛇形機器人控制方法”(申請公布號：CN?105945925?A，申請公布日：2016.09.21)涉及的是CPG對仿生蛇形機器人的控制流程，并不涉及CPG控制器的設計以及蛇形機器人運動模式與控制參數之間的調控關系。