基于CPG的六足机器人协调运动控制方法的研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

Classified Index: TP242.2 U.D.C: 621.38 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON CONTROL METHOD OF COORDINATED MOTION FOR HEXAPOD ROBOT BASED ON CPG Candidate： Niu Yongchao Supervisor： Prof. Sun Lining Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechatronics Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defense： June, 2008 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - I - 摘 要 近年来，仿生控制已经在机器人控制领域引起了广泛的关注，而基于中 枢模式发生器(CPG)的运动控制是仿生控制的一个重要分支，它已经成为仿 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。目前， CPG 控制的研究在国外刚刚起 步，而在国内研究仍然极少，研究成果还有很多缺陷，具有广阔的发展空间 和重要的意义。 本文根据基于振动理论的 CPG 神经元数学模型建立了一种新颖的神经 元及 CPG 模型，并针对多足机器人运动控制中的一大难题——多足协调问 题，提出一种新颖的控制体系结构，并阐述了六足机器人的多足协调运动的 具体控制方法。 首先，模拟生物神经系统中神经元的响应原理，建立了一种具有自发振 荡特性的简单的 CPG 神经元模型，在此基础上，建立了 CPG 的数学模型， 并将连接矩阵与神经元的参数间建立了映射关系，从而实现了 CPG 模型的 简明化和输出模式的多样化。 其次，根据仿生学的思想，提出与当今其他研究不同的、以 CPG 控制 足内多关节耦合及先导神经元协调足间节律的新型分层控制结构和控制原 理，解决了传统 CPG 研究中控制体系不清晰、CPG 耦合信息少、算法复杂 和实时性差等问题。 然后，在先导神经元和 CPG 的分层控制作用下，不利用环境和自身的 模型，提出了一种新型的六足机器人多足以及足内多关节的协调运动控制策 略，从方法上使机器人实现了协调的、稳定的节律性行走。 最后，通过 ADAMS 和 Matlab 的联合仿真，验证了所研究的控制方法 的有效性和模式切换的可行性，由实验结果可以看出，这种完全不基于模型 的 CPG 控制方法完全可以实现传统的基于模型的复杂算法的功能，从根本 上取代了复杂的在线计算。 关键词 中枢模式发生器（CPG）；协调运动控制；六足机器人。 - - II - Abstract In recent years, much attention has been given to bionic control. The motion control based on central pattern generator (CPG) has become one of the most important branch of bionic control field and become a research hotspot. CPG can produce movement of spontaneous, steady rhythm without any high-level external control signal and feedback, which doesn not require the model process on enviroment and itself. Thus, it can reduce the workload and save work time of work of the control system. Currently, the research of the CPG control just starts in the international arena and is still quite few in our country, and its research results have many defects. So, the research of C