六足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制CPG機(jī)理與控制策略研究

林 放

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529030）

引言

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展飛速的21世紀(jì)，許多工作越來越需要機(jī)器人代替人類來完成，所以這也就意味著機(jī)器人不單單要適應(yīng)地面上的各種活動(dòng)，同時(shí)還要具備一些其他能力，比如針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的勘查工作或者代替人類完成某些危險(xiǎn)工作。多足機(jī)器人的腿部自由度高、步態(tài)比較靈敏，并且在復(fù)雜環(huán)境里依然能保持穩(wěn)定。本文主要針對(duì)六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理以及對(duì)外界的感應(yīng)能力等問題開展了一系列的研究。通過進(jìn)行此類研究，筆者意在為六足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制以及復(fù)雜環(huán)境中機(jī)器人的感知能力等工作方面給后人留下參考與借鑒，同時(shí)在多足機(jī)器人的研究和應(yīng)用能力水平提高等問題上同樣有著不錯(cuò)的價(jià)值效果。

1 仿生六足機(jī)器人研究現(xiàn)狀

世界上最早的多足機(jī)器人在1989年被研制出來，誕生于美國麻省理工學(xué)院，該機(jī)器人主要被用來探測太空[2]。主要的驅(qū)動(dòng)途徑是通過位置反饋來讓電機(jī)完成關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)根據(jù)電流流經(jīng)全身來采集身體多個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)信息，它的每條腿都可以在復(fù)雜的環(huán)境中獨(dú)立行走，更出色的是它還具備一定的感知障礙，進(jìn)而超越障礙的功能，這些能力的獲取并不必對(duì)機(jī)器人的步態(tài)做出刻意的編程，而這些設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人本身的認(rèn)知能力也可以說是極大的提高，為將來的關(guān)于機(jī)器人自我感知能力有關(guān)問題的研究，提出了一定的理論依據(jù)與參考方向。與此同時(shí)這種機(jī)器人也并非完美，它的腿部自由度比較低，而且必須要通過攜帶大量的傳感器才能很好的感應(yīng)外界環(huán)境，這很大程度上減慢了機(jī)器人的行走速度，致使效率變低。

國內(nèi)相較于其他國家起步比較晚，21世紀(jì)初，北京理工大學(xué)的專家學(xué)者們通過觀察自然界爬行動(dòng)物的結(jié)構(gòu)研制出來了一種六足仿真機(jī)器人，這種機(jī)器人最大的創(chuàng)新點(diǎn)就是可以控制它的落腳點(diǎn)，來讓機(jī)器人行走的更加平穩(wěn)。2013年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的專家們又設(shè)計(jì)出了一種水路兩棲式六足機(jī)器人，這種機(jī)器人的模型來源于蟑螂，故它的步態(tài)與蟑螂的類似，為了使機(jī)器人具備水路兩棲行走的能力，專家們將機(jī)器人的腿部改裝成長方形片狀的形狀。

2 仿生六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自然界中的多足節(jié)律爬行動(dòng)物都有其共有的特點(diǎn)，它們的身體構(gòu)造整齊、腿腳靈活，將自然界這類動(dòng)物的身體構(gòu)造進(jìn)行分析和總結(jié)，從而開展六足仿生機(jī)器人的研制與設(shè)計(jì)，關(guān)于此類研究很大程度上增強(qiáng)了六足仿生機(jī)器人的機(jī)構(gòu)仿生效果。在本篇文章內(nèi)，主要通過分析竹節(jié)蟲的身體構(gòu)造以及腿部機(jī)構(gòu)來進(jìn)行六足仿生機(jī)器人的研制工作。自然界中的竹節(jié)蟲身體構(gòu)造對(duì)稱，六條腿分別位于身體的兩邊，它的腿部主要由三種不同的關(guān)節(jié)組成。

為了方便觀察，我們按照一定的比例對(duì)竹蟲的參考圖像進(jìn)行縮放，分析了竹蟲各身體結(jié)構(gòu)的比例和腿部主要關(guān)節(jié)的分布。本文設(shè)計(jì)了一種具有對(duì)稱多邊形的仿生六足機(jī)器人，同時(shí)在機(jī)器人身體的兩端，每側(cè)安放三條腿，這樣的結(jié)構(gòu)大大提高了機(jī)器人在行走過程中的穩(wěn)定性和一致性。在構(gòu)造機(jī)器人的物理模型時(shí)，我們主要使用鋁合金來裝配機(jī)器人的身體和腿部關(guān)節(jié)，鋁合金材料不僅密度小，而且有較強(qiáng)的剛性，價(jià)格親民，用它來建立起的六足仿生機(jī)器人能同時(shí)具備質(zhì)量輕且強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于機(jī)器人的身體軀干相關(guān)設(shè)計(jì)工作，我們將其進(jìn)行“架空設(shè)計(jì)”，這樣做的目的一方面能有效提高機(jī)器人在工作時(shí)的負(fù)載，另一方面還能增強(qiáng)機(jī)器人自身的控制效果。

3 中樞模式發(fā)生器（CPG）控制的機(jī)理

應(yīng)用中樞模式發(fā)生器（CPG）的多足機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)的方式，在總結(jié)和設(shè)計(jì)機(jī)器人步態(tài)時(shí)，主要通過觀察和模仿自然界爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，為了更好地模擬爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏，我們必須建立一個(gè)多足機(jī)器人CPG步態(tài)控制模型，在構(gòu)建模型時(shí)，還應(yīng)該選擇合理的自激振蕩器。但是，CPG網(wǎng)絡(luò)控制模型可能不盡相同，其中較為常見的控制模型有鏈狀結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，將各個(gè)單元之間通過不同的連接方式組合就得到了CPG網(wǎng)絡(luò)控制模型，針對(duì)多足動(dòng)物身體軀干與腿部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)完全可以奏效。

采用上述的這種CPG模型進(jìn)行仿生控制，使得機(jī)體完全可以脫離外界的控制信號(hào)，僅僅依靠自身就可以發(fā)出平穩(wěn)的步態(tài)信號(hào)來有規(guī)律的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)CPG的震蕩行為可以和外界的反饋信息能夠相互耦合，從而使得腿與腿之間可以足夠穩(wěn)定，讓機(jī)體平穩(wěn)的行走。如果將CPG模型中的參數(shù)大小進(jìn)行更改，我們就可以得到各種各樣的步態(tài)輸出形式[3]。

4 仿生六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與感知系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文把所要研究的六足仿生機(jī)器人的兩個(gè)主要系統(tǒng)，如圖1所示，即運(yùn)動(dòng)控制與感知系統(tǒng)做了一個(gè)大致的功能分類，大體的分類如下：

1）中樞模式發(fā)生層。為了選擇合理的非線性CPG振蕩器模型，我們通過非線性耦合振蕩器生成六足機(jī)器人步態(tài)輸出信號(hào)，有多少條腿就有多少個(gè)振蕩器，再構(gòu)造映射函數(shù)將無量綱量的振蕩器輸出轉(zhuǎn)換為各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度值，達(dá)到信號(hào)發(fā)生的目的。

2）運(yùn)動(dòng)感知層。運(yùn)動(dòng)感知層由激光雷達(dá)傳感器模塊和激光測距傳感器模塊組成。激光雷達(dá)傳感器模塊負(fù)責(zé)收集和處理機(jī)器人周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，激光測距傳感器負(fù)責(zé)收集機(jī)器人移動(dòng)過程中跨越障礙的長度。經(jīng)過上述處理，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人避障自動(dòng)化。

3）執(zhí)行層。仿生六足機(jī)器人步態(tài)行走控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)和陀螺儀組成。系統(tǒng)執(zhí)行離散CPG模型步態(tài)輸出信號(hào)。步態(tài)信號(hào)經(jīng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳輸后，輸出到機(jī)器人的各個(gè)舵機(jī)進(jìn)行步態(tài)驗(yàn)證。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，上位機(jī)通過無線串行通信模塊向控制器發(fā)送指令。運(yùn)動(dòng)控制器接收指令并解釋指令：首先，控制器將解析后的指令發(fā)送給步態(tài)顯示模塊，步態(tài)顯示模塊根據(jù)解析后的指令顯示行走的步態(tài)和方向；其次，控制器向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，舵機(jī)根據(jù)解析指令驅(qū)動(dòng)六足機(jī)器人舵機(jī)按指定角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)按指定步態(tài)行走。加速度測量模塊將機(jī)器人的加速度實(shí)時(shí)檢測出來，并通過控制器和無線串行通信模塊實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)，便于顯示和分析。

5 仿生六足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過三腳架三角步態(tài)CPG模型的輸出信號(hào)，為了在機(jī)器人的六條腿之間形成穩(wěn)定的相位差，建立了環(huán)形CPG網(wǎng)絡(luò)模型。隨后，建立機(jī)器人腿內(nèi)的關(guān)節(jié)映射函數(shù)，生成機(jī)器人腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。將輸出角度值離散化以進(jìn)行步態(tài)驗(yàn)證[4]。

為了避免機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)處在運(yùn)動(dòng)過程中相互干擾，我們在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將髖關(guān)節(jié)的極限角度進(jìn)行設(shè)置，仿真所得角度值大小為30°，實(shí)際角度值為20°。

通過實(shí)驗(yàn)我們得到了實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)，六足仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在規(guī)定的40 s的時(shí)間內(nèi)可以走過了500 mm，機(jī)器人行走的平均速度約為12.5 mm/s，同時(shí)機(jī)器人在行走的過程中也存在一定的問題，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的些許誤差，它并未按理想結(jié)果保持直線行走，相反，它向右側(cè)偏移了60 mm，同時(shí)也記錄了機(jī)器人在行走過程中的加速度變化，主要在-0.8~0.6 m/s2之間。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，即使存在不足，但是六足仿生機(jī)器人基于CPG模型輸出的行走過程中，步伐平穩(wěn)且協(xié)調(diào)，達(dá)到了仿真模擬的要求。

6 結(jié)論

六足仿生機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)比較特別，它的關(guān)節(jié)自由度較高，以及腿與腿之間耦合程度強(qiáng)。因此在做相關(guān)方面的研究時(shí)，一般的建模方式基本行不通，不僅建模過程復(fù)雜，而且所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果精度不滿足實(shí)驗(yàn)的要求。所以針對(duì)上述遇到的問題，本文采用了基于CPG模型的仿生運(yùn)動(dòng)控制方式，采用這種控制方式，不需要繁瑣的建模過程。該控制方式的控制結(jié)構(gòu)很簡單，同時(shí)步態(tài)生成多樣化，對(duì)多足機(jī)器人的控制相關(guān)工作也十分有意義。