专利名称：基于cpg机理的四足机器人工作空间轨迹生成方法
技术领域：
本发明涉及机器人控制领域,尤其是涉及一种基于CPG(CPG, Central patterngenerator,中枢模式发生器)机理的四足机器人工作空间轨迹的仿生抽象方法研究。
背景技术：
机器人的行走控制逐步成为机器人界研究的热点问题，其行走控制的有效性直接关系到机器人服务于人类的程度。目前，机器人行走控制主要采用基于关节运动轨迹的设计方法。该方法采用步态参数控制方法，人为设定机器人行走时某些腿部关节的运动轨迹，以达到保持身体平衡，实现动作协调的目的。在行走过程中，完全按照预先设计的轨迹参数运行，其他腿部关节的状态则根据逆运动学方法算出。这种开环行走控制方法只能适应于某种材质的地面，当改变地面材质或地面不平时，将严重影响行走质量。并且，要得到一组合适的行走参数往往花费很长时间。在此基础上，有学者提出预先设计多种行走模式，根据不同的地面条件，来动态切换行走参数。这种方法有一定的改进，但并不能穷尽未知环境下机器人行走所能遇到的各种模式，仍然是传统的编程工作机制，不能解决机器人环境适应性行走的根本问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有一定的环境适应性和鲁棒性的基于CPG 机理的在线抽象工作空间轨迹的机器人行走控制方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:(1)利用对应机器人四个足端的四个CPG单元组成CPG网络，通过调制参数，CPG网络产生多模式的周期性输出信号；(2)函数映射部分对周期性输出波形信号进行维数扩张和函数变换后，将其映射为机器人的工作空间轨迹；(3)利用CPG的网络参数以及外部的反馈信息对机器人的工作空间轨迹进行调制，得到具有一定适应性的工作空间轨迹；(4)设计运动引擎系统，将具有一定适应性的工作空间轨迹映射到机器人的关节空间，实现机器人环境适应性行走的控制。所述的步骤(I)中的CPG单元采用的单元模型为振荡神经元模型，其表达式为
权利要求
1.种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)利用对应机器人四个足端的四个CPG单元组成CPG网络，通过调制参数，CPG网络产生多模式的周期性输出信号； (2)函数映射部分对周期性输出波形信号进行维数扩张和函数变换后，将其映射为机器人的工作空间轨迹； (3)利用CPG的网络参数以及外部的反馈信息对机器人的工作空间轨迹进行调制，得到具有一定适应性的工作空间轨迹； (4)设计运动引擎系统，将具有一定适应性的工作空间轨迹映射到机器人的关节空间，实现机器人环境适应性行走的控制。
2.据权利要求1所述的一种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹生成方法，其特征在于，所述的步骤(I)中的CPG单元采用的单元模型为振荡神经元模型，其表达式为Trii\e,f^ = -wf’乃 +- βν\ε'^ +J0 + Feedfej^ + ^ TavjeJ} =-vjeJ} +r^f} = max ，0)rt = -r^ + + c 其中，i，e和f分别表示第i个CPG单元、屈肌和伸肌神经元，Ui为神经元的内部状态，Vi为神经元自抑制状态，#，/}为神经元的输出，Tr和Ta分别为上升时间和适应时间常数，Wfe为神经元的相互抑制系数，β为神经元的自抑制系数，Stl代表来自高层的激励信号，Feedi为反馈输入信号，Wij为神经元j与神经元i间的连接权重，A为第i个CPG单元的输出，由屈、伸肌神经元的状态项线性合成，c为引入的一个零点偏置量，通过调节c可以实现屈、伸肌神经元的激活或抑制比例，即得到的输出振荡信号不再关于零轴对称。
3.据权利要求1所述的一种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹的生成方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的函数映射部分包括将CPG网络的输出信号映射为机器人的摆动相轨迹和支撑相轨迹两大部分，分别对应机器人摆动腿从后极限位置摆到前极限位置的摆动段和支撑腿从前极限位置摆到后极限位置的支撑段； 映射得到的摆动相轨迹的表达式 XLocus (O — Kx.~~ ^sw , 2 ) ZLocus (O — Kz.^sw(index) (O 其中，Kx和Kz是幅值增益系数，tsw是r(imfa)⑴> O的持续时间，tsw(inte)是对应映射过程中的tsw的值，rsw(imfa)是对应映射过程中CPG的输出信号的幅值，下标index在映射过程中起到指针的作用； 映射得到的支撑前相轨迹的表达式
4.据权利要求1所述的一种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹的生成方法，其特征在于，步骤(3)中的CPG网络本身具有极限环特性，可以灵活的调制输出信号的幅值、频率以及信号的相位关系，另外环境的反馈信号也可以对CPG网络的输出信号进行调制，所以经函数映射后的机器人工作空间轨迹可以具有丰富的动态特性，可以灵活的调制机器人行走的步态模式，达到适应性的目的。
5.据权利要求1所述的一种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹的生成方法，其特征在于，所述的步骤(4)中的运动引擎的设计的目的是将具有一定适应性的机器人工作空间轨迹映射到机器人的关节空间，以实现机器人的行走控制。
全文摘要
本发明涉及一种基于CPG机理的四足机器人工作空间轨迹生成方法，该方法包括以下步骤利用分配在机器人四个足端的四个CPG单元相互耦合组成能产生周期性输出波形信号的CPG网络；利用设计的映射函数，对周期性输出信号进行维数扩张和函数变换，得到机器人的工作空间轨迹；得益于CPG网络丰富的动态特性，在线生成的工作空间轨迹可基于CPG参数进行调制，具有一定的适应性；设计运动引擎系统将工作空间轨迹映射到机器人的关节空间，控制机器人的各个关节自由度，实现具有一定适应性的行走控制。本发明针对机器人的末端轨迹进行仿生机理模拟，与现有技术相比，具有提高了机器人行走的环境适应性和鲁棒性等优点。
文档编号G05D1/02GK103092197SQ20111033493
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者陈启军, 刘成菊, 蔡志强 申请人:同济大学