基于柔性关节的六足机器人CPG控制系统研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 CPG控制的研究现状及分析
• 1.3 机器人柔性研究现状
• 1.3.1 机构上实现柔性
• 1.3.2 主动柔性控制
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 基于CPG的柔性关节机器人控制方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 六足昆虫各关节运动特性分析
• 2.3 机器人CPG控制方法
• 2.3.1 CPG单神经元模型与步态生成器
• 2.3.2 单足各关节协调CPG网络的建立
• 2.4 机器人腿部运动学及受力分析
• 2.5 柔性关节控制策略
• 2.6 基于CPG的柔性关节机器人控制策略
• 2.7 本章小结
• 第3章 六足机器人分级控制系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 控制器总体结构
• 3.3 六足协调器与通信总线的设计
• 3.4 单足控制器的设计
• 3.4.1 单足控制器内部功能划分
• 3.4.2 单足控制器的硬件电路
• 3.4.3 单足控制器SPOC模块设计
• 3.4.4 无刷电机的控制
• 3.5 电机驱动电路设计
• 3.6 机器人传感系统设计
• 3.6.1 机器人传感器的配置
• 3.6.2 电机编码器
• 3.6.3 关节限位开关
• 3.6.4 电流传感器
• 3.6.5 各关节的力矩传感
• 3.6.6 各关节的位置信号
• 3.6.7 足底的触地传感
• 3.7 本章小结
• 第4章 六足机器人实验
• 4.1 引言
• 4.2 六足机器人实验系统介绍
• 4.3 关节的刚度控制实验
• 4.3.1 六足机器人平地步行实验
• 4.3.2 机器人上下坡步行实验
• 4.3.3 非平坦路面步行实验
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢