四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究

传统基于模型的机器人控制方法存在建模复杂、解不唯一、单周期规划等问题,不利于实现多足机器人的快速稳定运动,非结构环境适应性较差。该论文研究利用动物节律运动和生物反射机理实现四足机器人的运动控制及环境适应性。主要工作及创新点为:1)改进Matsuoka和Kimura的中枢模式发生器(CPG)模型。用状态项合成振荡器输出,消除过零死区,使输出更适合机器人运动控制;引入步态矩阵,搭建CPG网络和机器人步态之间的桥梁;定义反射信息阵和反射系数向量,提供了规范的CPG与外部环境的交互途径;2)采用数值仿真方法,研究CPG模型的动态特性和参数特性,总结出工程实用的CPG模型参数整定方法;3)提出节律步态的概念,建立四足机器人的全对称CPG网络,定义步态矩阵,给出步态矩阵的赋值方法,实现了四足动物的多种典型步态和任意步态之间的相互转换;4)提出运动映射的方法简化多足机器人冗余自由度的控制,模仿动物肢体运动规律建立膝髋关节映射函数;5)提出生物反射的建模框架——三级反射的概念,划分底层反射、中层反射、高层反射各自的作用模式、特点和适用范围。利用底层反射对屈肌反射进行建模,实现机器人越障;利用中层反射对前庭反射进行建模,实现机器人坡面运动;6)提出基于生物控制的机器人运动控制架构,运用运动仿生方法设计四足机器人运动,构建四足机器人实现系统,成功进行了样机实验。 四足机器人能够实现稳定的节律运动,速度可达每秒1/4-1/2身长(0.13-0.24m/s);实现了walk、trot两种步态和步态相互转换;具有一定的非结构环境适应性,能够自主应付复杂地形条件,完成10°上下坡、跨越相当于腿长13.3%高度(20mm)的障碍。实验表明该方法在控制简便性、机器人环境适应性、运动速度方面优于传统方法。