专利名称：仿生双足水上行走机器人控制方法
技术领域：
本发明属于仿生学技术领域，涉及一种仿生双足机器人实现水上行走功能的控制方法。
背景技术：
水上机器人可以在危险的水面或沼泽地上工作，在环境检测、军事侦查、水中污染物和有毒元素检测、湿地探测等领域具有广泛的用途。目前水上机器人的漂浮机理有以下三种支撑方式表面张力支撑；浮力支撑；通过拍打液体生成气穴产生的支撑。表面张力支撑要求机器人重量轻、体积小和材料防水。浮力支撑是利用液体的浮力制成机器人，浮力大，适合大型机器人，这两种方法均有行进速度慢、有效载荷低的缺点。受南美洲蛇怪蜥蜴启发，利用机器人脚掌拍击水面，迫使水下沉或从脚掌下方扩散，在脚掌上方及周围形成气 穴，产生向上的支撑力及向前的驱动力，从而实现水上行走。双足机器人水上行走时外界环境难以建模、步态规划有效性低、水面干扰强度很大，传统的基于模型的精确运动学求解方法无法适用。
发明内容
本发明的目的是对基于蛇怪蜥蜴水上行走机理的双足机器人施加控制，实现机器人的水上行走。水面环境与陆地环境有明显的不同，机器人水上行走时环境扰动无法避免，步态规划难以实施，传统控制方法无法适用。为了实现水上行走，本发明提出一种CPG-模糊联合控制方法。首先利用机电系统联合仿真得到双足水上行走机器人的控制数学模型，构建CPG控制模块和模糊控制模块的初始化模型，然后对机器人脚掌的节律性运动施加CPG控制，对机器人左右方向的平衡施加模糊控制，并通过倾斜角测量模块实时测量机器人的倾斜角，得到的信号对模糊控制和CPG控制的输出进行反馈调整。所述双足水上行走机器人控制数学模型是在动力学分析软件中建立虚拟样机模型，然后在机电系统联合仿真的基础上得到的，外界环境对双足机器人脚掌的作用通过施加相等的力得到。所述CPG控制模块初始化模型是利用双向Hopf振荡器构建的，利用两个Hopf神经元互相连接得到双向振荡器网络，产生两路输出信号。所述模糊控制模块初始化模型是由倾斜角测量模块得到的倾斜角度及其变化率作为输入语言变量的。所述机器人脚掌节律运动的CPG控制是利用CPG控制模块得到的两路输出信号进行调节的，通过调节CPG模块的参数，可以得到具有不同频率和相位关系的两路输出信号，施加到双足机器人的脚掌，即可得到机器人脚掌的不同运动关系。所述左右方向的模糊控制，模糊控制模块的输出用来对机器人左右方向上的动态平衡进行补偿控制。
所述倾斜角检测模块是由陀螺仪、加速度计测量得出，得到的反馈信号用来对模糊控制模块以及CPG模块的参数进行调整。本发明的有益效果本发明所提出的双足水上行走机器人CPG-模糊联合控制，避免了复杂的动力学建模，克服了传统控制方法鲁棒性不强的缺点，通过对CPG模块参数的调整，能够实现具有多种相位关系和行走速度的步态，易于对脚掌拍打水面产生的上升力及驱动力的大小进行调整，通过模糊控制，克服了水面环境大幅度的扰动，建立了一个模糊控制表，在机器人运行过程中直接查表输出控制信号，减少了大量计算时间，增强了实时性。通过CPG-模糊控制，能够实现双足机器人的水上行走功能。
图I为仿生双足水上行走机器人控制结构示意图； 图2为仿生双足水上行走机器人控制硬件框图；图3为仿生双足水上行走机器人控制软件流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图举例对本发明仿生双足水上行走机器人控制方法做出详尽说明。一、仿生双足水上行走机器人的CPG-模糊联合控制系统图I给出了本发明方法的仿生双足水上行走机器人控制结构示意图，包括双足水上行走机器人机械结构、机器人数学模型、CPG模型参数初始化、CPG模型、模糊控制参数初始化、模糊控制模块以及倾斜角检测反馈模块。双足水上行走机器人的数学模型是由机电系统联合仿真得到的非线性模型。水上行走机器人的两个腿部运动的关节是由CPG模型输出的振荡信号控制的。图I中水上行走机器人内设导轨，导轨上设有质量小球，机器人水上行走时，通过调节质量小球在导轨上的位置来实现左右方向上的动态平衡，质量小球在导轨上的位置是由模糊控制模块的输出信号决定的。通过调节CPG模型的参数，能够调节水上行走所需要的上升力及驱动力。二、仿生双足水上行走机器人的数学模型本发明方法的仿生双足水上行走机器人数学模型框图包括一个线性的状态空间模块和一个非线性的S函数模块，此模块是通过机电系统联合仿真得到的。双足水上行走机器人所处环境异常复杂，难以建立线性模型，通过机电系统联合仿真得到非线性模型，夕卜界环境对机器人的影响通过施加相等的力来等效实现。 三、CPG-模糊联合控制系统的CPG模块模型仿生双足水上行走机器人的CPG模型需要在图I中的CPG模型参数初始化过程中建立，机器人的CPG模型是利用Hopf振荡器建立的双向Hopf振荡网络来实现的。双向Hopf振荡网络数学模型如下所示
n、= - rf )x, + Coyl + YjaJxJ
尸1’片(Li)
权利要求
1.一种仿生双足水上行走机器人控制方法，其特征在于，对于机器人腿部的节律性运动采用基于CPG数学模型产生的振荡信号进行控制，模糊控制对机器人的左右动态平衡进行补偿，机器人本体及外界环境的建模通过机电联合仿真得到，倾斜角检测模块将得到的倾斜角反馈给模糊控制模块及CPG模块，形成闭环用来对机器人的运动进行调整。
2.根据权利要求I所述的仿生双足水上行走机器人控制方法，其特征在于，所述的机器人脚部的节律运动是由CPG数学模型产生的，CPG数学模型是由双向连接的两个Hopf振荡器组成。
3.根据权利要求I所述的仿生双足水上行走机器人控制方法，其特征在于，所述的模糊控制以机器人左右方向上偏离竖直轴的夹角以及夹角的变化率为输入语言变量，(7)的位移为输出语言变量。
4.根据权利要求I所述的仿生双足水上行走机器人控制方法，其特征在于，所述的倾斜角检测模块是由陀螺仪、加速度计测量得出，得到的反馈信号用来对模糊控制模块以及CPG模块的參数进行调整。
5.根据权利要求I所述的仿生双足水上行走机器人控制方法，其特征在于，所述的双足水上行走机器人本体及外界环境数学模型是通过机电系统联合仿真得到的，此模型是非线性的。
6.根据权利要求I所述的仿生双足水上行走机器人控制方法，其特征在于，所述的CPG-模糊联合控制，用来实现机器人的水上行走，使仿生双足水上行走机器人維持在水面上。
全文摘要
本发明为仿生双足水上行走机器人控制方法，提出了对机器人实行CPG-模糊联合控制，由中枢模式发生器CPG产生振荡信号实现对机器人双足节律性运动的控制；模糊控制用来对双足水上行走机器人左右方向上的动态平衡进行补偿，角度测量模块输出的反馈信号可以对CPG模块以及模糊控制模块进行反馈调整。本发明提出的CPG-模糊联合控制能为双足机器人水上行走控制理论设计提供参考，并实现双足机器人的水上行走功能。
文档编号G05D1/02GK102759923SQ20121010903
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者孔令成, 徐林森, 曹凯, 赵江海, 魏鲜明 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院