专利名称：实现动物节律运动的足式仿生机器人控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可实现动物节律运动的足式仿生机器人控制方法及装置，属仿生机器人运动控制技术领域。
背景技术：
对于足式机器人的多足协调控制，主要有两种方法基于模型的方法和基于行为的方法。基于模型的方法是一种传统的足式机器人运动控制方法，它以常规的运动规划为主，机器人的运动受到环境的制约，适合于进行姿势控制、静态行走；基于行为的运动控制方法以美国MIT的布鲁克斯(Brooks)为首的研究人员所研发的足式机器人为代表，这种方法将生物基本行为中存在一些局部条件反射单元做为足式机器人运动控制的主要依据，侧重于对机器人底层实行局部控制，没有高层生物神经系统的管理和调控，是一种简单的生物反射运动。总的来说，上述方法尽管可以在一定程度上实现机器人的运动，但由于受其控制系统结构和所采用的控制方法的制约，在灵活性、稳定性和适应性上与动物的具有高度稳定性和适应性的节律运动相比尚有差距。
生物学家的研究表明，动物的常见运动方式为具有时空对称性的节律运动(如走、跑、跳、泳、飞等)，这种节律运动具有高度的稳定性和适应性，得益于自身精巧的节律运动控制系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种可实现动物节律运动的足式仿生机器人控制方法及其装置，采用与动物相似的节律运动控制机理，使整个机器人系统实现更为灵活多变、敏捷适应的仿生运动。
本发明的技术方案如下一种实现动物节律运动的足式仿生机器人控制装置，该装置包括含有受控的髋关节与膝关节的足式仿生机器人本体，伺服放大器，传感装置以及控制计算机，系统电源，其特征在于每个关节均由伺服电机带动；所述的传感装置包括与伺服电机同轴连接的编码器，安装在机器人本体内的可测姿态的倾角传感器、安装在各关节摆动轨迹上的限位开关，足端前部的接触开关；所述的控制计算机包括含有高层调控软件的控制上位机和含有对机器人实行节律运动控制程序的控制下位机，控制上位机通过ISA总线与控制下位机相连；所述的下位机采用以数字信号处理器为核心的多轴伺服运动控制器，该多轴伺服运动控制器含有可产生中断信号的定时器；所述的倾角传感器与下位机的模/数转换通道相连，所述的限位开关和接触开关分别与下位机的数字输入端相连；所述的编码器的输出端分别与伺服放大器和下位机的编码器接口相连；控制下位机的数/模转换通道与伺服放大器上的伺服信号接收端相连，其数字输出端与伺服放大器上的使能端口相连，伺服放大器再通过伺服信号输出端与机器人本体上的各伺服电机相连。
本发明所述的多轴伺服运动控制器至少含有8个数/模转换通道、8个编码器接口、12个数字输入端、8个数字输出端和1个模/数转换通道。
本发明提出的一种实现动物节律运动的足式仿生机器人控制方法，其特征在于该方法采用三个功能层进行控制，高层控制层模拟动物高级神经中枢对运动的调控作用，决定机器人运动起始，实现机器人的速度调节及运动模式的选择和转换，由控制上位机实现；模式发生层利用神经元振荡器互相耦合构成节律发生器，节律发生器产生节律信号，其中一个神经元振荡器的输出对应一个机器人髋关节，作为机器人髋关节的位置信号，同时此髋关节的位置信号通过变换得到同腿膝关节的关联控制信号，由控制下位机实现；控制下位机根据所产生的髋关节与膝关节信号对各自关节实行伺服控制，由驱动执行层用机电伺服系统模拟动物肌肉—骨骼运动系统的功能；所述控制方法包括如下步骤(1)控制上位机发出机器人运动指令，将运动指令解释为相应的命令控制字，利用控制下位机提供的动态链接库里的数据传递函数将此命令控制字传送至控制下位机的通讯缓冲区，控制下位机读取此命令控制字，开始执行；(2)控制下位机初始化并检测硬件，设置伺服电机运动轴基本运动控制参数、各运动轴位置闭环、编码器硬件参数、数/模转换偏移量、比例—积分—微分常数、伺服电机使能和传感器信号输入通道状态参数，之后开启下位机的定时器中断，经过每一个采样周期中断被触发并处理中断，同时与控制上位机进行通讯无限循环；(3)控制下位机进入中断处理，采用神经元振荡器建立节律发生器模型，神经元振荡器的数目与机器人髋关节数目相同，根据四种典型步态定义四个权重矩阵，神经元振荡器通过权重矩阵互相耦合；(4)控制下位机在一个采样周期内根据所要产生的步态选择相应的权重矩阵，求解节律发生器模型，获得节律信号输出，作为机器人各髋关节的位置信号，将此位置信号经过髋—膝关节映射函数变换得到同腿膝关节的关联控制信号，按照产生的髋关节位置信号与膝关节的关联控制信号对各自关节的伺服电机实行比例—积分—微分控制，使伺服电机运动轴到达指定位置；循环求解节律发生器模型并控制各关节伺服电机，从而使机器人实现了以一种步态向前行走；(5)当机器人足端的接触开关碰到障碍，接触开关触发脉冲信号传送至下位机数字输入端口，下位机检测到此端口状态变化，改变节律发生器模型中屈肌反射项参数，使节律发生器的输出变化，其结果使机器人抬腿高度增加，从而越障；(6)当机器人上斜坡时，所述的倾角传感器检测到斜坡角度信号，将此信号送到下位机的模/数转换接口，下位机读取此接口信号，改变节律发生器模型中前庭反射项参数，使节律发生器的输出变化，其结果是使机器人腿方位适应斜坡角度变化，从而上坡；(7)控制上位机发出机器人步态转换指令，重复上述步骤(1)，在控制下位机运行的节律发生器模型中采用待转换步态所对应的权重矩阵，重复上述步骤(3)、(4)。
5.按照权利要求4所述的控制方法，其特征在于机器人同腿的髋、膝关节之间采用一个自定义的髋-膝关节映射函数，确定相互之间位置角的函数关系，其方法是将机器人腿在一个周期内的运动分为支撑相与摆动相，处于支撑相时膝关节不动，处于摆动相时，由髋关节控制曲线通过翻转、平移变换得到膝关节的控制曲线，即髋-膝关节映射函数，公式如下 关节形式标志 其中Ah，Ak为髋、膝关节摆动幅值；θh，θk分别为髋、膝关节角控制信号。根据机器人腿关节的不同形式，定义符号函数sgn(ψ)，当为膝式关节时，sgn(ψ)为-1，为肘式关节时sgn(ψ)为1。
本发明与现有技术相比具有以下优点及突出性效果①本发明建立了一种可实现动物节律运动的足式仿生机器人运动控制的系统结构，其分层结构与动物节律运动控制层次相对应。②提出了一种可实现动物节律运动的足式机器人控制方法，通过对动物节律运动控制模型进行工程模拟、简化和改进，克服了基于模型方法所缺少的灵活性和适应性，以及基于行为方法所缺少的高层调控功能；③采用所述的足式仿生机器人控制方法，通过调节节律发生器模型中相关参数使机器人产生更贴近动物的运动行为，能产生动物的四种典型步态(自由行走、小跑、遛步、奔跑)，自由行走速度约为0.3m/s，并能进行步态之间的相互转换；④在控制系统中包含了反射调节，无需对环境或机器人本体进行建模，使机器人具有较好的环境适应能力，能够实现上10°左右斜坡、跨越2cm高的障碍等功能⑤控制系统硬件满足为实现多足机器人(如六足、八足等)节律运动控制所需性能，通过在控制系统软件中扩展节律发生器模型所包含的神经元振荡器数目可实现多足机器人的节律运动控制，适用于更广泛的动物节律运动的模拟。
图1为本发明所述的足式仿生机器人控制系统总体方案。
图2为本发明所述的足式仿生机器人控制系统硬件连接框图。
图3为本发明中所述的控制上位机软件流程图。
图4为本发明中所述的控制下位机软件主程序流程图。
图5为本发明中所述的控制下位机软件中断服务程序流程图。
图6为本发明实现的足式仿生机器人以四种典型步态进行节律运动的控制网络拓扑结构。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明所述的足式仿生机器人控制系统总体方案，由于动物的节律运动控制系统被认为是分层的和模块化的，可以分为高层控制层、模式发生层和驱动执行层。其中高层控制层发出运动指令，控制动物节律运动起始；模式发生层产生多种关节的节律运动信号，从而使动物实现不同的运动模式，并能够进行相互之间的转换；由驱动执行层，即动物的肌肉—骨骼系统产生运动输出。
与动物节律运动控制网络类似，建立包括三个功能层的机器人运动控制系统。其中高层控制层决定机器人运动起始，实现机器人的速度调节及运动模式的选择、转换，由控制上位机实现；模式发生层利用神经元振荡器互相耦合构成节律发生器，神经元振荡器数目与机器人髋关节数目相同，每一个神经元振荡器产生一个节律信号，作为机器人相应髋关节的位置信号，同时此髋关节的位置信号通过变换得到同腿膝关节的关联控制信号，模式发生层由控制下位机实现；驱动执行层用机电伺服系统模拟动物肌肉—骨骼运动系统的功能，使机器人产生运动。
在本发明所采用的控制系统方案中，以模式发生层为中心既接受高层调控，又根据下层的传感信号进行反射调节。反射调节是根据生物反射机理，对动物运动反射进行工程模拟，提高机器人对环境的适应性。本发明建立了三种反射，其中牵张发射使机器人产生稳定运行，屈肌反射用于使机器人越障，前庭反射用于使机器人爬坡，反射信号的收集由相应传感装置实现。
图2为本发明所述的控制系统硬件连接框图。机器人每个关节上的伺服电机硬件布置及连线均相同，图中I为控制上位机；II为控制下位机；III为机器人本体上的伺服电机及传感装置。图2中伺服放大器的工作电压由外接电源提供。伺服电机的驱动电压由相应伺服放大器提供。
所述的控制上位机为PC机，PC机主板上有ISA插槽，并有空余的端口基地址；所述的控制下位机采用以数字信号处理器(DSP)为核心的多轴伺服运动控制器，为工业产品，具有通用的对多个伺服电机运动轴进行伺服控制的功能。上、下位机之间采用ISA总线相连，用于下位机的设置、程序下载和运行中的数据传递。需要预先在上位机指定对下位机输入/输出的端口基地址，用于上、下位机之间通讯。
多轴伺服运动控制器的核心为DSP芯片，提供内部定时器中断，此外控制器还包含片外内存以及相应的外部端口，如至少包括8个数/模转换通道，12个可编程数字输入端，4个数字输出端，8个编码器接口，1个模/数转通道等。
本发明所述控制对象以一个四足仿生机器人为例，该机器人每条腿具有一个髋关节与一个膝关节，分别由各自伺服电机带动，通过对髋关节与膝关节伺服电机的控制来达到使机器人产生行走；同时每条腿还具有一个足部踝关节用来被动适应地形。在机器人本体上安装传感装置收集反馈信息其中，编码器与每个关节的伺服电机同轴连接，测量关节转角与转速；一个倾角计安装在机器人躯干中心，测量机器人身体姿态倾角(俯仰角)，输出为模拟信号；限位开关安装于每个髋关节与膝关节摆动轨迹的延长线上，限定关节摆动的极限位置和确定编码器绝对零位，当大小腿碰到限位开关时触发脉冲信号；接触开关安装于机器人足端前部，当开关碰到障碍时，有一个脉冲信号触发。
本发明所述的下位机运行时，产生的控制信号通过数/模转换通道传到伺服放大器的控制信号接收端上，经过伺服放大器内部电路转换为电压信号通过伺服信号输出端与各关节伺服电机相连。在伺服电机运动之前还需要开启使能，使能信号由下位机通过数字输出端发送给伺服放大器上的电机使能端口，一个数字输出端状态对应一个伺服电机的使能状态，高电平表示开启使能，低电平表示禁止使能。下位机同时还接收传感器的反馈信号，包括编码器测量伺服电机的转角与转速，反馈给控制下位机上的编码器接口构成位置闭环，下位机对位置闭环实行比例—积分—微分(PID)控制方式；接触开关以及限位开关的脉冲信号输入与控制下位机的数字输入端相连，当有脉冲触发时，将对应数字输入口置为高电平；倾角传感器检测机器人姿态偏角，所得角度信号与控制下位机的模/数转换通道相连。
同时，编码器测得的伺服电机转角与转速信号通过信号线反馈给伺服放大器上的编码器接口，进行速度闭环控制，速度闭环由伺服放大器自动完成。
对应控制系统硬件的分层和模块化，控制系统软件也分为上位机软件与下位机软件，二者编程环境均安装于上位机上。其中下位机程序被编译、链接为目标文件后，从上位机下载至下位机内存中自动运行。由于多轴伺服运动控制器作为下位机为工业产品，包含了提供给上位机的动态链接库，这些动态链接库中包含的函数可用于在上位机控制程序中对下位机进行操纵，包括检测下位机硬件是否完好并对硬件初始化、读写下位机指定内存单元内的值、读写下位机硬件设置(如采样率、模/数转换偏移量、PID常数)等函数。此外，下位机自身还包括基本输入/输出函数用来读写下位机包含的各类接口上的数据；包含伺服运动控制函数用来完成伺服运动控制功能。
上位机软件主要包括三个子系统1)机器人高级神经中枢子系统，用于实现受到节律运动控制的仿生机器人高级神经中枢的功能，例如对节律发生器模型的调整，包括对参数的调整；2)机器人运动指令发送，即上位机作为高层调控层可对机器人发送运动指令，包括有伺服电机使能、机器人位置初始化、机器人运动/停止、机器人步态转换、机器人复位等，例如让机器人开始运动，则会向下位机发送200命令控制字；3)机器人运动参数回显，用于对机器人运行状态进行监控和调节，如比较下位机发出的节律信号与机器人关节实际运动曲线之间的差异，根据这些差异来判定机器人运行是否正常。上述所有功能的实现都有赖于控制上位机与控制下位机之间的通讯。
为实现控制系统上、下位机之间的通讯需求，在上、下位机各定义了四个结构体变量，四个结构体变量所占用的空间即为通讯缓冲区，分别为1)控制下位机伺服控制参数，包括伺服电机运动轴PID常数、下位机各个用于连接伺服放大器的数/模转换通道偏移量、所有的编码器倍频系数和编码器分辨率等，这些参数往下传给下位机，由于在下位机运行期间变化较少，故被作为静态参数；2)各种状态信息，包括机器人所有髋关节与膝关节运动曲线、接收传感器信号的数字输入端状态，发送伺服通道使能信号的数字输出端状态、接收倾角计角度信号的模/数转换数值等，这些参数由下位机回传给上位机；3)用于节律信号产生的节律发生器模型参数，包括模型中的系数、初始状态矩阵和用于步态转换的权重矩阵等等，传给下位机，也作为静态参数；4)运动控制命令，例如机器人位置初始化、步态转换等命令，这些控制命令对应于不同的命令控制字。此外，为判断上述结构体中定义的变量是否需要更新，在每个结构体中另外还需要增加一个标志变量，例如规定当标志变量为111时，表示结构体可以被更新，当标志变量为0时表示结构体不可更新。
进行上下位机之间数据传递的方法是当从上位机读取下位机中的数据时，则利用所述动态链接库中的读下位机指定内存的函数，通过给定下位机与上位机连接端口地址、目标数据地址、存放的位置等参数，则可得到下位机中的目标数据；从上位机写数据到下位机时，也通过给定下位机与上位机连接端口号、数据存放地址、目标数据等参数，然后调用动态链接库中相应的函数。
图3为本发明实现的控制系统上位机程序流程图。控制上位机作为高层控制层，执行如下步骤a)首先建立上位机对下位机的控制环境，包括加载下位机(多轴伺服运动控制器)提供给上位机编程环境的动态链接库，如步骤30所示；利用下位机提供的编译器和链接器工具对下位机程序进行编译、链接，产生目标文件，利用程序装载器将目标文件下载到下位机内存中运行，此时由于下位机并未接收上位机运动指令，故机器人并不运动，如步骤31所示；利用所述动态链接库提供的函数对下位机硬件进行初始化，检测下位机所包含硬件是否正常，以便建立上下位机之间的通讯连接，如步骤32所示；建立用于上下位机通讯的通讯缓冲区，并分配内存空间，利用动态链接库提供的读取下位机指定内存的函数来获取上、下位机通讯地址，上位机可通过此地址向下位机发送各种命令，同时下位机可通过此地址将运行状态回传给上位机，如步骤33所示。
b)读取机器人运行全局变量，若为1表示机器人可运动，如步骤34所示，之后上位机等待用户命令输入，如步骤35，将各种命令解释为不同的命令控制字，如步骤36，利用动态链接库中提供的向下位机内存写数据的函数，将此命令控制字放入下位机通讯缓冲区设置的接收上位机命令控制字的地址，如步骤37，下位机读取这些数据，产生相应的运动。这些命令包括伺服电机使能、机器人运行前位置初始化、运行/停止(包括反射调节，如越障、上坡)、步态转换、机器人复位等。检测下位机运行情况，并将显示结果，如步骤38。
c)若机器人运行全局变量为0，表示机器人停止运行，利用动态链接库中的函数将下位机硬件回复到运行前状态；同时释放a)中调用的动态链接库，如步骤39、40，上位机程序结束。
下表为机器人运动命令相对应的控制字
下位机程序可以分为两个任务1)设置对机器人伺服控制的一些基本参数、与上位机通讯、处理中断等，位于主程序中；2)按照节律运动控制的方法对机器人进行运动控制，以对时间的采样为基础，位于一个定时器的中断服务程序中。其中主程序流程图如图4所示，主要执行以下步骤a)导入下位机运动控制提供的基本输入/输出函数和伺服运动控制函数库，指定运动控制之前的一些具体信息，包括将机器人本体上伺服电机运动轴数目设为8、将采样周期设为12ms(可根据下位机运行速度合理选择)等，如步骤1所示；利用下位机提供的初始化函数来初始化下位机硬件结构，检查下位机所包含的各部件是否正常，如步骤2所示；；b)初始化下位机所有伺服控制通道的PID控制器，以便对机器人本体上所有的伺服电机运动轴实行比例—积分—微分(PID)控制，其中下位机一个伺服控制通道控制对应的一个伺服电机运动轴，如步骤3所示；为与上位机通讯分配缓冲区，缓冲区的大小为上面所说定义的4个结构体变量所占空间，如步骤4所示；c)设置对机器人伺服控制前的一些基本参数，对所有伺服电机运动轴的操作均相同，故进行循环操作，通过利用下位机提供的伺服控制函数来实现，分别为设置所有伺服电机运动轴基本运动控制参数，将下位机的运动控制通道分别对应不同的伺服电机，并指定伺服控制通道的有效电平类型和伺服运动轴的方向通道及有效电平，使所有伺服电机运动轴的控制信号为下位机所具有的对应数/模转换通道中输出的数值，如步骤5所示；设置各伺服电机运动轴的位置反馈信息，包括进行位置反馈的信号类型及反馈通道，伺服控制的位置反馈通道与控制该伺服电机的下位机伺服控制通道号相同，如步骤6所示；初始化编码器硬件，包括编码器通道号与同轴连接的伺服电机通道号相同，指定其倍频系数、信号极性，设置编码器常数并对所有编码器通道计数值清零，如步骤7所示；设置所有的对伺服电机实行控制的数/模转换通道的偏移量，如步骤8所示；设置所有伺服电机运动轴的比例—积分—微分(PID)控制参数(一般积分常数为一高阶小量，微分常数为零)，如步骤9所示；给所有伺服电机使能信号通道发送“禁止使能”信号，方法是将相应的数字输出端状态置零，从而使各伺服电机运动轴保持不动，如步骤10所示；将各数字输入端状态置零，从而屏蔽限位开关、接触开关等发送的脉冲信号，并将模/数转换通道读数置零，如步骤11所示；d)上述操作完成后，开启一个定时器中断，如步骤12所示，开始处理中断，如步骤14所示，每个采样周期中断一次，将对机器人进行节律运动控制的任务交由中断进行处理；并进入上、下位机通讯无限循环，如步骤13所示，响应上位机传来的各种运动指令，并将下位机状态回传给上位机。
控制下位机处理中断，使用定时器中断服务程序来处理机器人节律运动控制的具体功能，采用的方法如下在中断处理中采用神经元振荡器建立节律发生器模型，神经元振荡器的数目与机器人髋关节数目相同，根据四种典型步态定义四个权重矩阵，神经元振荡器通过权重矩阵互相耦合；在一个采样周期内根据所要产生的步态选择相应的权重矩阵，求解节律发生器模型，获得节律信号输出，作为机器人各髋关节的位置信号，将此位置信号经过髋—膝关节映射函数变换得到同腿膝关节的关联控制信号，按照产生的髋关节位置信号与膝关节的关联控制信号对各自关节的伺服电机实行比例—积分—微分控制，使伺服电机运动轴到达指定位置；循环求解节律发生器模型并控制各关节伺服电机，从而使机器人实现了以一种步态向前行走；当机器人足端的接触开关碰到障碍，接触开关触发脉冲信号传送至下位机数字输入端口，下位机检测到此端口状态变化，改变节律发生器模型中屈肌反射项参数，使节律发生器的输出变化，使机器人抬腿高度增加，从而越障；当机器人上斜坡时，所述的倾角传感器检测到斜坡角度信号，将此信号送到下位机的模/数转换接口，下位机读取此接口信号，改变节律发生器模型中前庭反射项参数，使节律发生器的输出变化，其效果是使机器人腿方位适应斜坡角度变化，从而上坡；当要进行步态转换时，由控制上位机发出机器人步态转换指令，在节律发生器模型中采用待转换步态所对应的权重矩阵参与运算，重复上述步骤，可完成步态转换。
进行机器人位置初始化的方法如下将机器人腿碰到各自限位开关时作为各关节处编码器的计数零点，然后使伺服电机反方向运动规定计数值，计数值根据所要摆动的角度、编码器常数以及倍频系数等确定，则变换到机器人的初始化位置。
进行机器人复位的方法如下控制各伺服电机在当前位置基础上继续同方向运动，当所有腿碰到各自限位开关，此时机器人的所有大、小腿可水平置于地面，故达到了复位。
图5为定时器中断服务程序流程图，即下位机主程序流程图中的步骤14，以机器人进行步态转换为例，在一个采样周期内主要执行如下步骤
a)进入中断处理后，读取下位机各数字输入、输出端状态、伺服电机运动轴当前位置等系统运行时的状态，并将状态值写到相应的通讯缓冲区，供上位机读取，如步骤20所示；b)读取所述的下位机通讯缓冲区中设置的标志变量来判断下位机的静态参数是否需要刷新，如步骤21所示，缓冲区中的静态参数主要为下位机硬件设置，如PID常数、数/模转换偏移量、编码器常数及倍频系数等；另外还包括节律发生器模型中的参数，这些参数在机器人运动期间基本不变；c)读取下位机通讯缓冲区中设置的标志变量来判断下位机的命令参数是否需要刷新，主要是从上位机往下传达的各种命令控制字，如步骤22所示；d)比较通讯缓冲区中设置的伺服电机使能状态(读取使能通道所对应的下位机的数字输出端状态)，若使能状态发生从禁止到允许的跳变时，即从0变到1，获取电机运动轴当前位置值，此数值用作对伺服电机进行PID控制时的初始位置，并作为机器人运行状态返回给上位机，如步骤23所示；e)读取并判断机器人运行/停止命令全局变量(1表示运行，0表示停止)是否为“运行”，如步骤24所示，若是，处理c)步骤中的运行命令控制字，让机器人执行相应的运动，以机器人步态转换为例说明读取通讯缓冲区，若命令控制字为201，则表示机器人需要从当前步态变换到另外一种步态，如步骤25所示，改变节律发生器模型中当前采用的权重矩阵，变换到待转换步态所对应的权重矩阵，如步骤26所示，使节律发生器模型经过一次迭代重新产生输出，此时的节律输出信号序列即为待转换步态信号序列，如步骤27所示，将此信号序列作为机器人髋关节的位置信号，并将此位置信号作为伺服电机的目标位置，与d)步骤中得到的伺服电机当前位置值的差值作为PID控制的偏差信号，如步骤29所示，最终使各关节到达目标位置，同时髋关节电机的目标位置经过变换得到膝关节电机的目标位置，如步骤28所示，遵从同样的PID控制规律，使膝关节电机到达目标位置。经过一个中断周期后，重新产生一个定时器中断，然后进入下一轮中断处理，如步骤32所示，重复进行从a)到d)几个步骤，其结果就是伺服电机带动机器人以另外一种步态不断向前运动；若运动/停止全局变量表示“机器人停止”，将各允许使能的伺服电机保持在d)中设置的当前位置。
上述中断服务程序的核心算法为节律发生器模型，另外还有产生膝关节运动曲线的髋—膝关节映射函数、步态转换的权重矩阵、反射调节等，在程序中分别根据以下方法实现节律发生器模型本发明所述的控制系统中节律运动信号的产生均由节律发生器数学模型产生，我们对松岗清利(Matsuoka)的神经元振荡器和木村浩(Kimura)的中枢模式发生器模型进行了完善，得到了四足动物的节律发生器微分方程模型对于四足机器人，通过加权有向图连接四个振荡器，构成网状模型，机器人每个髋关节由一个振荡器控制，四个振荡器作为有向图的四个顶点，顶点之间采用全对称连接，即，任何两个顶点之间存在有向边。模型网络图的邻接矩阵W＝(wij)4×4作为节律发生器模型的权重矩阵，元素wij表示振荡器j到i的连接权重。节律发生器模型由方程组(1)描述Tru.if+uif=bvif+ayie+Σj=1nwijyjf+Σk=1msikhk+c]]>Tav.if+vif=yif]]>Tru.ie+uie=bvie+ayif+Σj=1nwijyje-Σk=1msikhk+c-----(1)]]>Tav.ie+vie=yie]]> yif,e=g(uif,e)]]>g(u)＝max(u，0)yi=uif-uie]]>(i，j＝1，…，n；k＝1，…，m)(·＝d/dt)其中，i、f、e分别表示第i个振荡器、屈肌、伸肌神经元。公式左边为细胞状态项，ui为神经元内部状态；右边第一项为细胞内适应项，vi为神经元疲劳(自抑制)程度，b为适应系数；第二项为细胞间耦合项，a为细胞间抑制系数；第三项为振荡器间耦合项，yie，f为神经元的输出，wij为神经元j到i的连接权重；第四项为节律发生器控制网络的外部反馈项，sjk是振荡器i的第k个外部反馈输入，hk为抑制权重；第五项c为来自高层的恒定激励输入；Tr为上升时间常数，Ta为适应时间常数；g(u)为门槛函数；yi为振荡器的节律信号输出，作为机器人关节的位置控制信号。
为使振荡器起振，定义u[4][4](每行元素分别为uif、uie、vif、vie)作为初始状态矩阵，矩阵中每个元素为不超过1的随机数。在方程组中通过调节相关参数可获得不同的输出yi，得到机器人的不同运动模式，方法是调节c改变输出幅值，可以改变机器人腿的摆动幅值，基本上为线性关系；通过调节Tr得到不同的振荡周期，改变机器人行走周期。上述中枢模式发生器模型可利用经典的4阶龙格—库塔方法求解。
髋—膝关节映射函数相同腿的髋、膝关节之间采用一个自定义映射函数相关联，以确定相互之间位置角的函数关系，即髋关节的输出yi经过映射函数，得到相同腿膝关节的位置控制信号，从而对膝关节进行关联控制。一般情况下，哺乳类动物的腿经历摆动相和支撑相两阶段，作为一个运动周期，在运动的摆动相，膝关节和髋关节同步运动。在髋关节摆动前1/4周期，膝关节收缩，在摆动相中点处，收缩量达到最大；在髋关节摆动的后1/4周期，膝关节伸展，在摆动相终点，恢复原位。在支撑相，髋关节摆动，膝关节基本保持不动。我们根据动物腿部的运动规律，将机器人腿运动分为摆动相与支撑相，处于支撑相时膝关节不动，处于摆动相时，由髋关节控制曲线通过翻转、平移变换得到膝关节的控制曲线，即髋—膝关节映射函数
关节形式标志 如方程组(2)所示，其中Ah，Ak为髋、膝关节摆动幅值；θh(t)，θk(t)分别为髋、膝关节角控制信号。根据机器人腿关节的不同形式，定义符号函数sgn(ψ)，当为膝式关节时，sgn(ψ)＝-1，为肘式关节时为sgn(ψ)＝1。
四种典型步态的产生与步态转换调节上述方程组(1)中的权重矩阵W(wij)使输出呈现不同的相位序列，实现不同的运动步态以及不同步态之间的相互转换，具体方法如下四足哺乳类动物有四种典型步态，(1)自由行走；(2)小跑；(3)遛步；(4)奔跑。自由行走指各足依次起落，相位差为1/4的步态；小跑为对角步态，对角腿成对起落，两对之间相位差为1/2；遛步是指同侧的腿成对起落，两对之间相位差为1/2的步态；奔跑是指前后腿成对起落，两对之间相位差为1/2的步态。在节律发生器网络模型中，连接权重矩阵能够描述神经元振荡器之间的相位关系，与步态之间存在特定的对应关系。对于类似四足哺乳动物的足式仿生机器人，采用四个振荡器全对称连接构成网状，每个振荡器控制机器人的一个髋关节，如图6。权重矩阵W中的元素wij定义为腿(也即振荡器)j到i的连接权重。我们提出了W的三个取值原则1)节律发生器网络中不存在自抑制。因此，每条腿自身的连接权重为0，W的主对角线元素全部为0。
2)任意两腿的抑制关系是相互的、同等的。因此，W是对称阵。
3)任意两条腿如果具有同相关系，采用兴奋性连接，相应元素为1；具有异相或反相关系，采用抑制性连接，相应元素为-1。
根据上面的取值原则，可确定权重矩阵。图6中箭头所示为机器人前进方向，图6a为自由行走步态拓扑结构，采用全对称连接结构，任意腿之间为抑制连接(用-1表示)，权重矩阵wij如下面(a)所示；图6b为小跑的拓扑结构，对角腿采用兴奋连接(用+1表示)，左右腿采用抑制连接，权重矩阵wij如(b)所示；图6c为遛步的拓扑结构，同侧腿为兴奋连接，左右及对角腿之间采用抑制连接，权重矩阵wij如(c)所示；图6d为奔跑拓扑结构，左右腿之问为兴奋连接，前后及对角腿之间采用抑制连接，权重矩阵wij如(d)所示。通过更换以下4种步态相应的权重矩阵W，即可实现相应步态的转换。
0-1-1-1-10-1-1-1-10-1-1-1-10------(a)]]>0-11-1-10-111-10-1-11-10-----(b)]]>0-1-11-101-1-110-11-1-10-----(c)]]>01-1-110-1-1-1-101-1-110-----(d)]]>机器人的反射调节机制本发明建立了三种反射调节机制牵张反射(用于稳定运行)、前庭反射(用于上坡)、屈肌发射(实现越障)，进行反射调节主要利用上述节律发生器模型中的反馈项sjk，S(sjk)为一4×4的矩阵，每列从左至右依次代表牵张反射项参数、前庭反射项参数、屈肌反射项参数。每行从上到下依次代表机器人左前、右前、右后、左后髋关节，其中牵张反射主要由驱动执行系统采用PID伺服控制律来实现，故sjk第一列中牵张反射项参数全为零。以机器人越障为例，其方法是当机器人某条腿碰到障碍，将这条腿作为反射腿，置于发射腿足端前部的接触开关触发，发出的脉冲信号传送至控制下位机的数字输入端，下位机检测到此数字输入端状态变化，修改反射矩阵S(sjk)，将屈肌反射模型加入。屈肌反射模型分为两个阶段1)回缩阶段，反射模型为一负常数，使节律发生器的输出幅值变小，反射腿回缩；2)前伸阶段，反射模型为一正常数，使节律发生器的输出幅值增大，反射腿前伸。回缩阶段，膝关节保持不动，前伸阶段，膝关节以最大能力增加至最大幅值。膝髋关节的联合运动，使机器人足端在障碍点的离地高度增加，从而跨越障碍。前庭反射通过将倾角传感器采集到的斜坡角度信号融入反射矩阵S(sjk)中，使节律发生器的输出频率减小，同时调节机器人前后腿与斜坡夹角，从而实现上坡。
权利要求
1.一种实现动物节律运动的足式仿生机器人控制装置，该装置包括含有受控的髋关节与膝关节的足式仿生机器人本体，伺服放大器，传感装置以及控制计算机，系统电源，其特征在于每个关节均由伺服电机带动；所述的传感装置包括与伺服电机同轴连接的编码器，安装在机器人本体内的可测姿态的倾角传感器、安装在各关节摆动轨迹上的限位开关，足端前部的接触开关；所述的控制计算机包括含有高层调控软件的控制上位机和含有对机器人实行节律运动控制程序的控制下位机，控制上位机通过ISA总线与控制下位机相连；所述的下位机采用以数字信号处理器为核心的多轴伺服运动控制器，该多轴伺服运动控制器含有可产生中断信号的定时器；所述的倾角传感器与下位机的模/数转换通道相连，所述的限位开关和接触开关分别与下位机的数字输入端相连；所述的编码器的输出端分别与伺服放大器和下位机的编码器接口相连；控制下位机的数/模转换通道与伺服放大器上的伺服信号接收端相连，其数字输出端与伺服放大器上的使能端口相连，伺服放大器再通过伺服信号输出端与机器人本体上的各伺服电机相连。
2.按照权利要求1所述的足式仿生机器人控制装置，其特征在于所述的多轴伺服运动控制器至少含有8个数/模转换通道、8个编码器接口、12个数字输入端、8个数字输出端和1个模/数转换通道。
3.一种实现动物节律运动的足式仿生机器人控制方法，其特征在于该方法采用三个功能层进行控制，高层控制层模拟动物高级神经中枢对运动的调控作用，决定机器人运动起始，实现机器人的速度调节及运动模式的选择和转换，由控制上位机实现；模式发生层利用神经元振荡器互相耦合构成节律发生器，产生节律信号，作为机器人髋关节的位置信号，其中一个神经元振荡器的输出对应一个机器人髋关节，同时此髋关节的位置信号通过变换得到同腿膝关节的关联控制信号，由控制下位机实现；控制下位机根据所产生的髋关节与膝关节信号对各自关节实行伺服控制，由驱动执行层用机电伺服系统模拟动物肌肉-骨骼运动系统的功能；所述控制方法包括如下步骤(1)控制上位机发出机器人运动指令，将运动指令解释为相应的命令控制字，利用控制下位机提供的动态链接库里的数据传递函数将此命令控制字传送至控制下位机的通讯缓冲区，控制下位机读取此命令控制字，开始执行；(2)控制下位机初始化并检测硬件，设置伺服电机运动轴基本运动控制参数、各运动轴位置闭环、编码器硬件参数、数/模转换偏移量、比例—积分—微分常数、伺服电机使能和传感器信号输入通道状态参数，之后开启下位机的定时器中断，经过每一个采样周期中断被触发并处理中断，同时与控制上位机进行通讯无限循环；(3)控制下位机进入中断处理，采用神经元振荡器建立节律发生器模型，其中神经元振荡器数目与机器人髋关节数相同，根据四种典型步态定义四个权重矩阵，神经元振荡器通过权重矩阵互相耦合；(4)控制下位机在一个采样周期内根据所要产生的步态选择相应的权重矩阵，求解节律发生器模型，其中每一个神经元振荡器的节律信号输出作为足式机器人对应髋关节的位置信号，将此位置信号经过髋一膝关节映射函数变换得到同腿膝关节的关联控制信号，按照产生的髋关节位置信号与膝关节的关联控制信号对各自关节的伺服电机实行比例一积分一微分控制，使伺服电机运动轴到达指定位置；循环求解节律发生器模型并控制各关节伺服电机，使机器人实现以一种步态向前行走；(5)当机器人足端的接触开关碰到障碍，接触开关触发脉冲信号传送至下位机数字输入端口，下位机检测到此端口状态变化，改变节律发生器模型中屈肌反射项参数，使节律发生器的输出发生变化，其结果使机器人抬腿高度增加，从而越障(6)当机器人上斜坡时，所述的倾角传感器检测到斜坡角度信号，将此信号送到下位机的模/数转换接口，下位机读取此接口信号，改变节律发生器模型中前庭反射项参数，使节律发生器的输出发生变化，其结果是使机器人腿方位适应斜坡角度变化，从而上坡(7)控制上位机发出机器人步态转换指令，重复上述步骤(1)，在控制下位机运行的节律发生器模型中采用待转换步态所对应的权重矩阵，重复上述步骤(3)、(4)。
4.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于机器人同腿的髋、膝关节之间采用一个自定义的髋-膝关节映射函数，确定相互之间位置角的函数关系，其方法是将机器人腿在一个周期内的运动分为支撑相与摆动相，处于支撑相时膝关节不动，处于摆动相时，由髋关节控制曲线通过翻转、平移变换得到膝关节的控制曲线，即髋-膝关节映射函数，公式如下 关节形式标志 其中Ah，Ak为髋、膝关节摆动幅值；θh(t)，θk(t)分别为髋、膝关节角控制信号；根据机器人腿关节的不同形式，定义符号函数sgn(ψ)，当为膝式关节时，sgn(ψ)为-1，为肘式关节时sgn(ψ)为1。
全文摘要
实现动物节律运动的足式仿生机器人控制方法及装置，属仿生机器人运动控制技术领域。本发明采用与动物相似的节律运动控制机理，利用高层控制层、模式发生层及驱动执行层三个功能层进行控制。所述的模式发生层利用神经元振荡器通过权重矩阵互相耦合构成模式发生器，产生机器人髋关节的节律运动信号，该节律运动信号经过髋－膝关节映射函数变换，得到同腿膝关节的关联控制信号，使该机器人具有灵活多变、敏捷适应的仿生运动功能，能产生动物的四种典型步态自由行走、小跑、遛步、奔跑，自由行走速度约为0.3m/s，并能进行步态之间的相互转化，能够实现上10°左右斜坡、跨越2cm高的障碍等功能。
文档编号B25J13/00GK1490134SQ0315738
公开日2004年4月21日 申请日期2003年9月19日 优先权日2003年9月19日
发明者郑浩峻, 李铁民, 张秀丽, 程智峰, 赵里遥, 关旭, 赵广涛 申请人:清华大学