基于非线性振子的CPG步态生成器及其运动控制方法研究

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六足机器人以其关节自由度多、运动稳定等优点被广泛应用于众多复杂险的作业环境中。长期以来多足机器人的步态规划以及多关节冗余自由度协调运动控制一真是学术界讨论的热点与难点,国内外学者已经取得了丰富的研究成果。近二十年来,围绕着中枢模式发生器(CPG)的仿生控制发展迅速。基于CPG模型的运动控制结构简单且耦合能力强,已逐渐成为多关节足式机器人的主要控制手段。目前以CPG为背景的仿生控制仍处于起步阶段,在步态生成方法、环境反馈融合机制等方面尚存在广阔的理论研究空间。本文围绕着CPG数学模型展开研究,设计了基于非线性振子的CPG步态生成器,并以此为基础针对六足机器人提出完整的CPG运动控制方法。首先,分析了节律运动的神经生物学机理以及CPG信号与机器人步态参数的映射关系,建立了单神经元振子的数学模型,通过模型非线性分析获得了参数整定方法。在此基础上分别针对环状和链状网络设计了CPG步态生成器并研究了步态的自由切换。其次,在机器人单腿运动学分析的基础上,设计了具有最简形式的CPG耦合网络和线性变换器组合的单腿控制系统。针对非结构环境下机器人的单腿运动,借鉴昆虫的反射现象设计了两种局部反射规划器。对常规步态进行改进,提出了扩展三角步态,以此为基础提出了针对六足机器人的CPG运动控制方案。最后,在ADAMS和MATLAB环境下搭建仿真实验平台,分别对六足机器人步态生成、步态切换、足趾局部反射以及非结构化环境行走进行仿真实验。实验结果验证了CPG步态生成器设计的合理性以及基于CPG的运动控制方法应用于非结构化环境下六足机器人行走控制的可行性。
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