基于柔性关节的六足机器人CPG控制系统研究

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低等生物的节律性运动都是由底层中枢神经的振荡而产生的。目前基于中枢模式发生器(CPG)的运动控制是已经成为仿生控制领域的研究热点之一。CPG能够在缺乏高层控制信号和外部反馈的情况下,自发产生稳定的节律性运动,无需对环境和自身建模,可以减少控制系统的工作量,节约工作时间。但是目前CPG的应用还比较局限,在六足机器人的应用还停留在步态生成和摆动相的控制。通过分析发现,CPG在自然界应用都是柔性的生物体,但人们却把CPG用于刚性的机器人,因此导致CPG仿生控制的发展受限。本文以CPG为核心,提出了一种将CPG用于柔性关节的机器人的控制方法,对CPG的应用作出新的尝试。首先,对实际六足昆虫各关节的运动特性进行分析,为用CPG同时控制单腿摆动相与支撑相提供生物学依据。在此基础上,重点分析了单足CPG网络的微分方程组,在耦合相次数不同时,所表现出的不同特性。其次,从机器人单足的运动学和力学分析入手,在横向和竖直两个方向稳定为目标,推导各关节在运动过程中所满足的关系和变化规律。然后,针对控制算法的要求设计六足机器人分层控制系统。包括集成化的控制与驱动单元、通信系统、传感系统等。最后,通过机器人平地、上下坡和非结构化路面的步行实验,证明CPG与柔性关节的结合是有效的,成功的由CPG控制了单腿的支撑相,将CPG的应用范围扩大到步行的全周期。同时,也表明了机器人电控系统的有效性和稳定性。
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