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基于CPG控制的六足爬壁机器人自主越障研究

更新时间：2019-12-30 07:21:28 大小：3M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：cpg控制六足爬壁机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对基于混沌CPG(central pattern generation)模型控制的六足爬壁机器人在幕墙上自主越障爬行的问题,本文提出了一种融合障碍探测模块、位姿调整模块以及简单神经环路混沌CPG的运动控制方法,并根据幕墙障碍特点和由传感器采集到的机器人方位信息及障碍距离信息,设计了合理的越障策略。实验显示该机器人可据环境自主切换三足行进步态、四足越障步态和五足原地旋转步态,并能够调整重心与幕墙间的距离以增加稳定性,最后完成了机器人在幕墙上自主爬壁和越障。


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39  
3
期
Vol． 39 №． 3  
Mar． 2018  
第
卷第  
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
2018  
3
月
年
Journal of Harbin Engineering University  
CPG  
基于  
控制的六足爬壁机器人自主越障研究  
， ，  
王云倩 牟玉壮 张剑  
(
，
同济大学 机械与能源工程学院 上海  
201804)  
:
要 针对基于混沌  
CPG( central pattern generation)  
，
模型控制的六足爬壁机器人在幕墙上自主越障爬行的问题  
摘
、
本文提出了一种融合障碍探测模块 位姿调整模块以及简单神经环路混沌  
CPG  
，
的运动控制方法 并根据幕墙障碍  
， 。  
特点和由传感器采集到的机器人方位信息及障碍距离信息 设计了合理的越障策略 实验显示该机器人可据环境  
、 ， ，  
自主切换三足行进步态 四足越障步态和五足原地旋转步态 并能够调整重心与幕墙间的距离以增加稳定性 最后  
。
完成了机器人在幕墙上自主爬壁和越障  
CPG;  
:
;
; ;  
自主越障 足端轨迹规划 吸附力  
关键词 六足爬壁机器人 混沌  
DOI: 10. 11990 /jheu． 201610031  
: http: / /www． cnki． net/kcms/detail/23. 1390． u． 20171215． 1430． 026． html  
网络出版地址  
: TP242  
: A  
: 1006-7043( 2018) 03-0584-10  
文章编号  
中图分类号  
文献标志码  
Autonomous obstacle crossing of a wall-climbing hexapod robot  
based on CPG control  
WANG Yunqian，MOU Yuzhuang，ZHANG Jian  
( School of Mechanical ＆ Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China)  
Abstract: This study proposes a motion control method，which integrates an obstacle detection module，a position  
and pose adjustment module，and a simple neural circuit chaotic central pattern generation ( CPG) ，to solve the  
problem of autonomous obstacle climbing of a wall-climbing hexapod robot controlled based on the chaotic CPG  
model on a curtain wall． A reasonable obstacle crossing strategy is designed based on the obstacle characteristics of  
curtain walls，direction information，and obstacle distance information collected from sensors． The experiment  
shows that the robot can autonomously change gait among a 3-feet gait for walking，a 4-feet gait for obstacle cross-  
ing，and a 5-feet autochthonous rotation gait based on the environment． In addition，the robot can adjust the dis-  
tance between the gravity center and the curtain walls to enhance stability． In conclusion，the robot climbed walls  
and crossed the obstacles in the curtain walls．  
Keywords: hexapod wall-climbing robot; chaotic CPG; autonomous obstacle crossing; foot trajectory planning; ad-  
sorption forces  
，
并安装了多种传感器 以更好的适应不同的平面环  
设计具有完全自主和多任务能力的行走机器人  
［4］  
［5］  
。
是机器人学的主要研究目标之一 足式机器人与轮  
。
孙立宁等 开发了一种具有模块化关节的  
境
，
式或履带式机器人相比 因具有丰富的步态和冗余  
，
六足爬壁机器人 通过真空吸盘在壁面上快速运动  
，
，
的肢体 结 构 在 地 形 适 应 性 方 面 有 着 显 著 的 优  
。 ，  
并应用于反恐领域 在多足机器人中 六足机器人  
［1 － 2］  
。
、
势
近些年来足式机器人已广泛应用于消防  
，
具有冗余的机械结构 灵活的通过能力和超强的负  
［3］  
、
高层建筑清洗 服务和反恐等领域  
。
采用足式结  
， ，  
载能力 更适合在非结构环境下作业 近年来已经对  
［6 － 7］  
构和真空吸盘的爬壁机器人因便于在具有复杂表面  
。
相关基础理论进行了深入探索  
步态规划作为  
， 。  
的幕墙上运动 已吸引一些学者进行研究 韩国成  
，
六足机器人基础理论研究的核心内容 为足端轨迹  
，
均馆大学研制了采用真空吸盘吸附的四足机器人  
，
规划和机体运动规划提供理论落足点 决定各足的  
［8 － 9］  
，
运动时序 直接影响机器人的整体运动性能  
。
: 2016 － 10 － 10．  
: 2017 － 12 － 15．  
收稿日期  
网络出版日期  
( 61105089) ．  
， 、  
目前 应用于六足机器人的步态主要是三足步态 四  
:
基金项目 国家自然科学基金项目  
:
作者简介 张  
( 1976 － ) ， ， ， ;  
男 副教授 博士  
剑
。 ，  
足步态和波形步态等规则步态 事实上 步态通常  
( 1992 － ) ， ，  
．
王云倩  
女 硕士研究生  
:
通信作者 张剑  
，E-mail: jianzh@ tongji． edu． cn．  
， (  
表现为生物的一种节律行为 主要由位于脊髓 脊  
3
， :  
王云倩 等 基于  
CPG  
控制的六足爬壁机器人自主越障研究  
·585·  
第
期
) ( )  
椎动物 或胸腹神经节 无脊椎动物 的中枢模式发  
1 ， ，  
装有 个位移传感器 测量胫节上弹簧的变形量 进  
［10］  
。
，
为提高机器人运动的灵活性 逐渐将  
。
而得出足端受力 所有传感器数据输送到  
PC  
，
中
生器控制  
，
经分析处理后 控制机器人实现自主运动  
。
动物中枢神经系统的作用机理应用于机器人运动控  
［11］  
。Cohen  
制
通过研究七鳃鳗脊髓的解剖结构最早  
CPG  
。 ，  
模型 受生物步态控制机理启发 将机  
提出了  
器人各足视为神经元 通过近似周期性地触发各足  
CPG  
，
，
运动实现机器人的行走 提出了基于  
原理的步  
。 ，  
态规划方法 与那些复杂的运动学模型相比 基于  
CPG  
，
的 控 制 方 法 更 为 简 单 因 此 得 到 了 广 泛 应  
［12 － 13］  
［14］  
。H． Rostro-Gonzalez  
用
等
提出了基于尖峰  
CPG  
，
模型 可产生用于六足机器人步行  
、
神经元的  
。
慢跑和快跑三个不同步态的节律信号 文献  
［15］  
，
中引入混沌控制策略 构建了一个较为简单的神经  
1
图
六足机器人构型  
，
11  
，
单元控制模型 生成  
个基本的行为模式 实现了  
。Weihai Chen  
利用一个同步振荡器和几个一阶低通滤波器  
CPG  
Fig． 1 The configuration of hexapod robot  
自组织多足机器人的复杂行为控制  
［16］  
等
，
模型 实现了六足机器人不同步态的之  
构建了  
间转换  
。
CPG  
基于  
原理的步态规划方法可在没有传感  
， ，  
器反馈的情形下生成稳定步态 结构简单 响应速  
， 。  
度快 仍是研究热点 考虑到动物可依靠脑干提  
，
供的简单刺激信号即可完成步态间的突变 相应  
，
的在非结构环境下 可以通过调节少量参数来实  
。 ，  
现多种步态的转换 故此 本文重点针对壁面爬  
，
行六足机器人 提出一种小冲击足端轨迹规划方  
，
法 能够在未知环境下依靠较少的传感器实现多  
，
种步态的自主转换 并能够调整机器人重心与幕  
，
墙间的距离以增加吸附稳定性 实现机器人在幕  
。
墙上自主爬壁和越障  
1
机器人平台设计  
2
图
三自由度腿部结构  
Fig． 2 Configuration of three-DOFs leg  
，
根据六足生物的肢体结构和运动特征 并结合  
机体需具有一定空间用于放置任务设备的要求设计  
2
运动学建模与足端轨迹规划  
，
了六足爬壁机器人 由正八边形机体和六条腿组成  
。
2. 1  
，
六条腿具有相同的结构 呈圆周分布在机体的两侧  
，
运动学建模  
，
建立六足机器人坐标系 进行运动学建模与分  
， ，  
增加了腿部转动空间 同时减少腿之间的碰撞 如图  
， 、 ，  
析 确定机体 关节和足端的位置关系 是实现机器  
1
。 2 。  
所示 机器人腿部结构如图 所示 每条腿由基  
。
、 、 ，  
节 股节 胫节和吸盘组成 其中胫节上安装了直线  
人运动规划和驱动控制的前提  
3 ， O ，X  
如图 所示 定义 Σ 为躯干坐标系 轴沿横  
。 3 ，  
弹簧用于吸收冲击 每条腿具有 个自由度 由伺  
，Y  
，Z  
轴与机器人前进方向一致 轴垂直于躯干表  
， ，  
服电机驱动 胫节与吸盘之间通过球铰链接 使吸盘  
向
。
3
。
面满足右手螺旋法则 机器人左侧 条腿分别用  
L 、L 、L R 、R 、R ，  
表示  
可以吸附在不同倾角的平面上  
，
为了探测障碍距离 在机体左侧最前方腿  
L
，
3
和
表示 右侧 条腿分别用  
1
1
2
3
1
2
3
R
2 ，  
上各安装 个激光测距传感器 其  
O ( 1  
m0  
m
6，m  
Z)  
。 4  
为腿部坐标系 图  
，
中
右侧最前方腿  
Σ
≤
≤
∈
1
L
2
上的 个距离传感器分别用于测量自身与前方  
O ( 1  
mi  
i
≤ ≤  
3，i Z) m i  
∈ 为第 条腿上的第 个关节  
中
Σ
1
，R  
2
上的 个距离传感器分  
，l 、l 、l  
1 2  
、
分别为基节 股节和胫节的长度  
。
障碍及左边障碍的距离  
的坐标系  
D-H  
根据  
1
3
。
，
模型 可求得从 Σ  
O
O
到 Σ  
别用于测量自身与前方障碍及右边障碍的距离  
机
的转换矩  
m0  
m3  
m0  
T
1 。  
器人自身的姿态依靠 个陀螺仪获得 每条腿上都  
T ，  
足端位置矢量  
m3  
P
= ［p  
p p ］  
为
y
阵
m
x
z

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