專利名稱：兩足機器人cpg控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的信息處理方法，尤其是涉及一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
行走控制是兩足和人形機器人研究和應用領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的方法是采用基于模型的人工規(guī)劃，使機器人按預先設(shè)定的運動軌跡進行運動。隨著機器人逐漸應用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，基于機器人模型和行走環(huán)境建模的傳統(tǒng)方法阻礙了機器人的實際應用。隨著人們對兩足動物步行本質(zhì)的深入研究和神經(jīng)科學的不斷發(fā)展，基于神經(jīng)科學的控制方法逐漸被應用到兩足機器人的行走控制中。基于中樞模式發(fā)生器(CPG，centralpattern generator)的控制思路是這一方向的一個典型代表。生物學家認為，動物的運動控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以CPG為中心，接受來自高層神經(jīng)中樞的調(diào)控命令，以及來自軀體感受器的反饋信息。CPG是由神經(jīng)元構(gòu)成的局部振蕩網(wǎng)絡(luò)，能夠通過神經(jīng)元之間的相互抑制產(chǎn)生穩(wěn)定的相位互鎖關(guān)系，并通過自激振蕩激發(fā)軀體相關(guān)部位產(chǎn)生節(jié)律運動。大腦的高層調(diào)控和環(huán)境反饋可以對動物的節(jié)律運動起到調(diào)節(jié)作用，使動物的運動具有適應性?；贑PG的控制方法具有生物上的可解釋性，因而最近在工程界引起了廣泛的興趣，并開始將CPG機理進行工程建模，應用于各類機器人的運動控制中。力圖通過將生物運動神經(jīng)系統(tǒng)的控制機理與機器人的仿生運動機構(gòu)相結(jié)合，提高機器人的運動性能，促進機器人在各種實際環(huán)境中的實用化進程?；贑PG控制的基本思路是:首先對CPG進行工程建模，設(shè)計一個可以產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩輸出信號的函數(shù)，作為機器人自由度的控制器，多個自由度的控制一般用多個CPG單元構(gòu)成的CPG網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，改變網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以改變振蕩信號的輸出模式，從而實現(xiàn)不同的運動模式。目前，對于兩足機器人這種復雜的系統(tǒng)，CPG模型并不具備很強的實用性，目前的研究也多停留在模擬仿真階段，或者僅僅是對兩足機器人某些關(guān)節(jié)的節(jié)律運動進行控制。CPG機理在機器人運動控制中的應用主要是采用關(guān)節(jié)空間(joint space)控制方法，其整體的控制構(gòu)架如

圖1所示。在控制系統(tǒng)中，CPG網(wǎng)絡(luò)模塊是產(chǎn)生關(guān)節(jié)控制信號的核心模塊，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和有效性關(guān)系到控制效果的優(yōu)劣。目前在研究和工程應用時，一般將CPG單元按照機器人的自由度分布，逐一分配到機器人的關(guān)節(jié)空間，利用多個CPG單元之間的相互耦合產(chǎn)生期望的運動模式。將該控制方法應用于兩足機器人目前還沒有成功的實體實驗，難點就在于CPG網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計還沒有統(tǒng)一的設(shè)計方法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復雜性增加了參數(shù)整定的難度，很難產(chǎn)生期望的關(guān)節(jié)控制信號。另一方面，由于兩足機器人自由度較多，構(gòu)成控制器所需要的CPG單元數(shù)目也相對較多。如何確定CPG單元之間合理的拓撲連接及模型參數(shù)，是一個復雜的尋優(yōu)問題。一般需要采用進化算法對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，但由于同時涉及拓撲結(jié)構(gòu)尋優(yōu)和模型參數(shù)優(yōu)化，采用傳統(tǒng)的優(yōu)化算法難以獲得好的結(jié)果。同時，這種方法優(yōu)化耗時較長，在機器人實體上實現(xiàn)也有一定困難。因此不能單純的將CPG單元簡單的分配給機器人的各個自由度，依賴進化計算進行尋優(yōu)，必須設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)架為前提，再輔以進化計算來進一步優(yōu)化CPG的連接方式和模型參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種復雜度低、控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理的兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，包括以下步驟:I)將CPG控制網(wǎng)絡(luò)分為用于控制機器人髖關(guān)節(jié)的身體控制網(wǎng)絡(luò)(bodynetwork)部分和用于控制腿部關(guān)節(jié)的腿部控制網(wǎng)絡(luò)(leg network)部分，便于控制雙足機器人左右腿控制信號的對稱性和機器人在行走過程中左右腿的相位關(guān)系；2)對CPG網(wǎng)絡(luò)內(nèi)神經(jīng)元單元之間的耦合方式進行優(yōu)化，簡化了神經(jīng)元之間的連接方式；3)對CPG控制網(wǎng)絡(luò)的進行參數(shù)整定，構(gòu)建出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。步驟I)中的CPG控制網(wǎng)絡(luò)采用神經(jīng)元振蕩器模型，該模型的數(shù)學表達式為:
權(quán)利要求
1.一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將CPG控制網(wǎng)絡(luò)分為用于控制髖關(guān)節(jié)的身體控制網(wǎng)絡(luò)(bodynetwork)部分和用于控制腿部關(guān)節(jié)的腿部控制網(wǎng)絡(luò)(leg network)部分，保證兩足機器人左右腿控制信號的對稱性和機器人在行走過程中左右腿的相位關(guān)系； 2)對CPG網(wǎng)絡(luò)內(nèi)屈肌神經(jīng)元和伸肌神經(jīng)元之間的耦合連接方式進行優(yōu)化，降低CPG控制網(wǎng)絡(luò)的復雜度； 3)對CPG控制網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)整定，構(gòu)建出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟I)中的CPG網(wǎng)絡(luò)采用神經(jīng)元振蕩器模型，該模型的數(shù)學表達式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于:將兩足機器人的髖關(guān)節(jié)和腿部關(guān)節(jié)分別設(shè)計身體控制網(wǎng)絡(luò)(body network)部分和腿部控制網(wǎng)絡(luò)(leg network)部分來控制，在保證兩足機器人左右腿控制信號的對稱性和機器人在行走過程中左右腿的相位關(guān)系的同時，減低系統(tǒng)的復雜度，減少需要優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，對振蕩單元內(nèi)部神經(jīng)元連接方法進行優(yōu)化，其特征在于，步驟2)中具體的優(yōu)化方法為:僅考慮屈肌神經(jīng)元之間以及伸肌神經(jīng)元之間的相互抑制系數(shù)來獲取關(guān)節(jié)自由度之間的相位關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于，步驟3)具體包括以下步驟: A)采用單參數(shù)分析法獲取CPG控制網(wǎng)絡(luò)的單個模型參數(shù)對于關(guān)節(jié)控制信號的影響趨勢； B)根據(jù)每個模型參數(shù)對關(guān)節(jié)控制信號的影響趨勢并輔助多目標進化計算方法，獲取可以使機器人在平地行走的最優(yōu)關(guān)節(jié)控制信號； C)根據(jù)實際的行走效果，對步驟B)中最優(yōu)關(guān)節(jié)控制信號下的模型參數(shù)進行微調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩足機器人CPG控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，包括以下步驟將CPG控制網(wǎng)絡(luò)分為用于控制髖關(guān)節(jié)的身體控制網(wǎng)絡(luò)(body network)部分和用于控制腿部關(guān)節(jié)的腿部控制網(wǎng)絡(luò)(leg network)部分，實現(xiàn)了兩足機器人在行走過程中左右腿關(guān)節(jié)控制信號的對稱性和左右腿的合理相位關(guān)系控制；對CPG控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)神經(jīng)元單元之間的耦合連接方式進行優(yōu)化，降低CPG控制網(wǎng)絡(luò)的復雜度；對CPG控制網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)整定，構(gòu)建出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有復雜度低、控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理等優(yōu)點。
文檔編號B25J9/16GK103203746SQ20121037828
公開日2013年7月17日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者陳啟軍, 劉成菊 申請人:同濟大學