專利名稱：仿生雙足水上行走機器人控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于仿生學技術領域，涉及一種仿生雙足機器人實現(xiàn)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(huán)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(chǎn)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(fā)，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(chǎn)生向上的支撐力及向前的驅(qū)動力，從而實現(xiàn)水上行走。雙足機器人水上行走時外界環(huán)境難以建模、步態(tài)規(guī)劃有效性低、水面干擾強度很大，傳統(tǒng)的基于模型的精確運動學求解方法無法適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(xiàn)機器人的水上行走。水面環(huán)境與陸地環(huán)境有明顯的不同，機器人水上行走時環(huán)境擾動無法避免，步態(tài)規(guī)劃難以實施，傳統(tǒng)控制方法無法適用。為了實現(xiàn)水上行走，本發(fā)明提出一種CPG-模糊聯(lián)合控制方法。首先利用機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真得到雙足水上行走機器人的控制數(shù)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(jié)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(diào)整。所述雙足水上行走機器人控制數(shù)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(tǒng)聯(lián)合仿真的基礎上得到的，外界環(huán)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(jīng)元互相連接得到雙向振蕩器網(wǎng)絡，產(chǎn)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(jié)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(diào)節(jié)的，通過調(diào)節(jié)CPG模塊的參數(shù)，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(tài)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(shù)進行調(diào)整。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所提出的雙足水上行走機器人CPG-模糊聯(lián)合控制，避免了復雜的動力學建模，克服了傳統(tǒng)控制方法魯棒性不強的缺點，通過對CPG模塊參數(shù)的調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)具有多種相位關系和行走速度的步態(tài)，易于對腳掌拍打水面產(chǎn)生的上升力及驅(qū)動力的大小進行調(diào)整，通過模糊控制，克服了水面環(huán)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?qū)崿F(xiàn)雙足機器人的水上行走功能。


圖I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。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖舉例對本發(fā)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(lián)合控制系統(tǒng)圖I給出了本發(fā)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(shù)學模型、CPG模型參數(shù)初始化、CPG模型、模糊控制參數(shù)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(shù)學模型是由機電系統(tǒng)聯(lián)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(jié)是由CPG模型輸出的振蕩信號控制的。圖I中水上行走機器人內(nèi)設導軌，導軌上設有質(zhì)量小球，機器人水上行走時，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量小球在導軌上的位置來實現(xiàn)左右方向上的動態(tài)平衡，質(zhì)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(diào)節(jié)CPG模型的參數(shù)，能夠調(diào)節(jié)水上行走所需要的上升力及驅(qū)動力。二、仿生雙足水上行走機器人的數(shù)學模型本發(fā)明方法的仿生雙足水上行走機器人數(shù)學模型框圖包括一個線性的狀態(tài)空間模塊和一個非線性的S函數(shù)模塊，此模塊是通過機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真得到的。雙足水上行走機器人所處環(huán)境異常復雜，難以建立線性模型，通過機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真得到非線性模型，夕卜界環(huán)境對機器人的影響通過施加相等的力來等效實現(xiàn)。 三、CPG-模糊聯(lián)合控制系統(tǒng)的CPG模塊模型仿生雙足水上行走機器人的CPG模型需要在圖I中的CPG模型參數(shù)初始化過程中建立，機器人的CPG模型是利用Hopf振蕩器建立的雙向Hopf振蕩網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。雙向Hopf振蕩網(wǎng)絡數(shù)學模型如下所示
n、= - rf )x, + Coyl + YjaJxJ
尸1’片(Li)
權利要求
1.一種仿生雙足水上行走機器人控制方法，其特征在于，對于機器人腿部的節(jié)律性運動采用基于CPG數(shù)學模型產(chǎn)生的振蕩信號進行控制，模糊控制對機器人的左右動態(tài)平衡進行補償，機器人本體及外界環(huán)境的建模通過機電聯(lián)合仿真得到，傾斜角檢測模塊將得到的傾斜角反饋給模糊控制模塊及CPG模塊，形成閉環(huán)用來對機器人的運動進行調(diào)整。
2.根據(jù)權利要求I所述的仿生雙足水上行走機器人控制方法，其特征在于，所述的機器人腳部的節(jié)律運動是由CPG數(shù)學模型產(chǎn)生的，CPG數(shù)學模型是由雙向連接的兩個Hopf振蕩器組成。
3.根據(jù)權利要求I所述的仿生雙足水上行走機器人控制方法，其特征在于，所述的模糊控制以機器人左右方向上偏離豎直軸的夾角以及夾角的變化率為輸入語言變量，(7)的位移為輸出語言變量。
4.根據(jù)權利要求I所述的仿生雙足水上行走機器人控制方法，其特征在于，所述的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(shù)進行調(diào)整。
5.根據(jù)權利要求I所述的仿生雙足水上行走機器人控制方法，其特征在于，所述的雙足水上行走機器人本體及外界環(huán)境數(shù)學模型是通過機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真得到的，此模型是非線性的。
6.根據(jù)權利要求I所述的仿生雙足水上行走機器人控制方法，其特征在于，所述的CPG-模糊聯(lián)合控制，用來實現(xiàn)機器人的水上行走，使仿生雙足水上行走機器人維持在水面上。
全文摘要
本發(fā)明為仿生雙足水上行走機器人控制方法，提出了對機器人實行CPG-模糊聯(lián)合控制，由中樞模式發(fā)生器CPG產(chǎn)生振蕩信號實現(xiàn)對機器人雙足節(jié)律性運動的控制；模糊控制用來對雙足水上行走機器人左右方向上的動態(tài)平衡進行補償，角度測量模塊輸出的反饋信號可以對CPG模塊以及模糊控制模塊進行反饋調(diào)整。本發(fā)明提出的CPG-模糊聯(lián)合控制能為雙足機器人水上行走控制理論設計提供參考，并實現(xiàn)雙足機器人的水上行走功能。
文檔編號G05D1/02GK102759923SQ20121010903
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者孔令成, 徐林森, 曹凱, 趙江海, 魏鮮明 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院