[发明专利]一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法

说明书

本发明公开了一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，包括步骤为：步骤1，CPG网络模型建立；步骤2，节律信号输出；步骤3，函数映射和步骤4，运动执行。本发明根据机器人轮、腿运动模式的不同，将周期性变化信号映射为相应模式的运动控制函数，实现轮、腿运动模式的平稳快速切换。从而具有计算简单、控制方便的特点，环境适应性和鲁棒性都得到了提升，且利用开关量切换机器人的轮、腿运动模式，并利用Sigmoid函数方法对切换过程中的控制信号进行过渡平滑，在运动中实现轮、腿运动模式的平稳快速切换。另外，在轮、腿运动模式转换过程中，机器人仍能继续向前运动，无需动作暂停。

技术领域

本发明涉及机器人仿生运动控制技术领域，特别是一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法。

背景技术

轮腿复合式机器人兼具轮式机器人的高速、高效运动和腿式机器人的地形适应性，多年来一直是地面移动机器人的研究热点。中国发明CN201610048470.4公开了一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构，通过两个动力机配合控制，收、放绳索切换机器人的轮腿模式。

目前，针对轮腿复合式机器人的控制方法，主要采用基于模型的控制方法，这种方法虽然可以获得精确的运动轨迹和落脚点，但是计算复杂、效率低，不具实时性和环境适应性，而且轮、腿运动模式转换过程中，多数需要使机器人处于运动暂停状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，该基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法根据机器人轮、腿运动模式的不同，将周期性变化信号映射为相应模式的运动控制函数，实现轮、腿运动模式的平稳快速切换，且在轮、腿运动模式转换过程中，机器人仍能继续向前运动。同时，还具有计算简单、控制方便的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于CPG的轮腿复合式机器人的仿生运动控制方法，包括如下步骤。

步骤1，CPG网络模型建立：轮腿复合式机器人具有四个轮腿机构，每个轮腿机构连接一个CPG振荡器，四个CPG振荡器耦合形成CPG网络。

步骤2，节律信号输出：控制中枢发出运动模式命令给步骤1建立的CPG网络，CPG网络产生具有固定相位差的周期性的节律信号输出φ。

步骤3，函数映射：映射函数将步骤2中的节律信号输出φ映射为轮模式和腿模式下髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号，具体表示为：

轮模式

腿模式

其中，θ_h、θ_k分别表示机器人的髋、膝关节运动控制信号，φ为CPG振荡器的节律信号输出，θ₀表示轮运动模式时膝关节的固定角度，T为振荡器周期，A_h、A_k分别表示髋、膝关节的摆动幅度。

步骤4，运动执行：各个轮腿机构中的髋、膝关节按照步骤3函数映射后的关节运动轨迹控制信号进行运动。

步骤3中，在轮腿切换过程中，采用Sigmoid函数将步骤2中的节律信号输出φ进行平滑，平滑后的髋、膝关节的关节运动轨迹控制信号表示为：

式中，θ_i+1、θ_i分别表示轮腿转换后的目标输出和轮腿转换前的初始输出；φ_a为轮、腿转换时刻的节律信号输出；τ为过渡时间的节律信号输出；a为平滑速率。

步骤2中，控制中枢通过开关量进行运动模式的切换，公示表示如下：

χ＝Γχ_w+(1-Γ)χ_l，Γ＝1或0