基于多层CPG神经网络的四足机器人控制方法研究.pdf

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1、硕士学位论文基于多层CPG神经网络的四足机器人控制方法研究RESEARCHONQUADRUPEDROBOTCONTROLMETHODBASEDONAMULTILAYERCPGNEURALNETWORK杨园园哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文基于多层CPG神经网络的四足机器人控制方法研究硕士研究生：杨园园导师：郭伟教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U

2、.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONQUADRUPEDROBOTCONTROLMETHODBASEDONAMULTILAYERCPGNEURALNETWORKCandidate：YangYuanyuanSupervisor：Prof.GuoWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeri

3、ngDateofDefense：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要动态性、适应性、稳定性是四足机器人研究的重难点，现有的控制方法中，基于模型的控制方法需要对自身和环境进行精确的建模，工作量大，运动规划复杂，降低了控制的实时性。而基于行为的方法，没有高层的调节，同时也无法进行全局规划，灵活性较差，有一定的局限性。基于生物的CPG控制可以在缺乏高层调节和传感信息的情况下，自发产生稳定的节律信号，控制生物实现基本的节律运动，结构简单，适应

4、性较强，同时不需要对环境和自身进行建模，减少了工作量，节约时间，被广泛地应用于足式机器人的运动控制中。但是，机器人的CPG控制在协调性、适应性等方面有所欠缺，不能很好地模拟生物的特性。本文基于生物学的角度，对CPG输出和关节驱动的映射展开研究，建立了二者的映射函数，构建了引入反射协调的多层CPG网络四足机器人运动控制系统。首先，通过对CPG控制和生物特性的深入研究，分析了四足动物行走步态下的运动特性和各关节运动轨迹，总结出关节间的运动规律。基于动物的反射机制，通过在多层CPG网络中引入牵张反射、姿势反射、对侧伸肌反射，对CPG输出进行调节。构建了四足机器人髋关节

5、、膝关节、踝关节的CPG输出和关节驱动的映射函数，使多层CPG网络模型更符合生物特性。其次，对多层CPG神经网络模型结构进行研究，确立并构建了引入反射协调的多层CPG神经网络，包括：节律发生层、模式发生层、运动神经元层、反射协调层。利用改进后VanderPol振子模型对各层网络进行建模，对模型中的参数进行分析，并通过仿真实验对基于多层CPG四足机器人运动控制的可行性进行验证。最后，在仿真平台和实体实验平台上，分别对四足机器人肢体间、关节间的协调运动以及四足机器人的原地踏步和行走步态进行实验。实验结果验证了引入了反射协调的多层CPG神经网络应用于四足机器人稳定行走

6、的可行性和协调性。关键词：四足机器人；中枢模式发生器；映射函数；反射协调-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDynamics,adaptability,andstabilityarethemajordifficultiesinquadrupedroboticsresearch.Themodel-basedcontrolmethodneedstoaccuratelyestablishthemodelofitselfandtheenvironment,hasthedisadvantagesoflargeworkloadandcomplexmotion

7、planning,whichreducesthereal-timecontrol.Behavior-basedmethodscannotmakeglobalplansduetothelackofhigh-leveladjustments,resultinlessflexibleandmorelimitations.Bio-basedCPGcontrolcanspontaneouslygeneratestablerhythmicsignalsintheabsenceofhigh-levelregulatoryandsensoryinformation,andcon

8、trolorganism