六足仿生機器人運動控制CPG機理與控制策略研究

林 放

（江門職業技術學院，廣東 江門 529030）

引言

在科學技術發展飛速的21世紀，許多工作越來越需要機器人代替人類來完成，所以這也就意味著機器人不單單要適應地面上的各種活動，同時還要具備一些其他能力，比如針對復雜環境的勘查工作或者代替人類完成某些危險工作。多足機器人的腿部自由度高、步態比較靈敏，并且在復雜環境里依然能保持穩定。本文主要針對六足仿生機器人的運動控制機理以及對外界的感應能力等問題開展了一系列的研究。通過進行此類研究，筆者意在為六足仿生機器人運動控制以及復雜環境中機器人的感知能力等工作方面給后人留下參考與借鑒，同時在多足機器人的研究和應用能力水平提高等問題上同樣有著不錯的價值效果。

1 仿生六足機器人研究現狀

世界上最早的多足機器人在1989年被研制出來，誕生于美國麻省理工學院，該機器人主要被用來探測太空[2]。主要的驅動途徑是通過位置反饋來讓電機完成關節驅動，同時根據電流流經全身來采集身體多個關節的相關信息，它的每條腿都可以在復雜的環境中獨立行走，更出色的是它還具備一定的感知障礙，進而超越障礙的功能，這些能力的獲取并不必對機器人的步態做出刻意的編程，而這些設計對于機器人本身的認知能力也可以說是極大的提高，為將來的關于機器人自我感知能力有關問題的研究，提出了一定的理論依據與參考方向。與此同時這種機器人也并非完美，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外界環境，這很大程度上減慢了機器人的行走速度，致使效率變低。

國內相較于其他國家起步比較晚，21世紀初，北京理工大學的專家學者們通過觀察自然界爬行動物的結構研制出來了一種六足仿真機器人，這種機器人最大的創新點就是可以控制它的落腳點，來讓機器人行走的更加平穩。2013年，中國科學技術大學的專家們又設計出了一種水路兩棲式六足機器人，這種機器人的模型來源于蟑螂，故它的步態與蟑螂的類似，為了使機器人具備水路兩棲行走的能力，專家們將機器人的腿部改裝成長方形片狀的形狀。

2 仿生六足機器人結構設計

自然界中的多足節律爬行動物都有其共有的特點，它們的身體構造整齊、腿腳靈活，將自然界這類動物的身體構造進行分析和總結，從而開展六足仿生機器人的研制與設計，關于此類研究很大程度上增強了六足仿生機器人的機構仿生效果。在本篇文章內，主要通過分析竹節蟲的身體構造以及腿部機構來進行六足仿生機器人的研制工作。自然界中的竹節蟲身體構造對稱，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節組成。

為了方便觀察，我們按照一定的比例對竹蟲的參考圖像進行縮放，分析了竹蟲各身體結構的比例和腿部主要關節的分布。本文設計了一種具有對稱多邊形的仿生六足機器人，同時在機器人身體的兩端，每側安放三條腿，這樣的結構大大提高了機器人在行走過程中的穩定性和一致性。在構造機器人的物理模型時，我們主要使用鋁合金來裝配機器人的身體和腿部關節，鋁合金材料不僅密度小，而且有較強的剛性，價格親民，用它來建立起的六足仿生機器人能同時具備質量輕且強度大的優點。對于機器人的身體軀干相關設計工作，我們將其進行“架空設計”，這樣做的目的一方面能有效提高機器人在工作時的負載，另一方面還能增強機器人自身的控制效果。

3 中樞模式發生器（CPG）控制的機理

應用中樞模式發生器（CPG）的多足機器人步態設計的方式，在總結和設計機器人步態時，主要通過觀察和模仿自然界爬行動物的運動規律。同時，為了更好地模擬爬行動物的運動節奏，我們必須建立一個多足機器人CPG步態控制模型，在構建模型時，還應該選擇合理的自激振蕩器。但是，CPG網絡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構和環狀結構，將各個單元之間通過不同的連接方式組合就得到了CPG網絡控制模型，針對多足動物身體軀干與腿部關節的運動，應用這種結構完全可以奏效。

采用上述的這種CPG模型進行仿生控制，使得機體完全可以脫離外界的控制信號，僅僅依靠自身就可以發出平穩的步態信號來有規律的進行運動，與此同時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定，讓機體平穩的行走。如果將CPG模型中的參數大小進行更改，我們就可以得到各種各樣的步態輸出形式[3]。

4 仿生六足機器人運動控制與感知系統整體設計

本文把所要研究的六足仿生機器人的兩個主要系統，如圖1所示，即運動控制與感知系統做了一個大致的功能分類，大體的分類如下：

1）中樞模式發生層。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器人步態輸出信號，有多少條腿就有多少個振蕩器，再構造映射函數將無量綱量的振蕩器輸出轉換為各關節旋轉角度值，達到信號發生的目的。

2）運動感知層。運動感知層由激光雷達傳感器模塊和激光測距傳感器模塊組成。激光雷達傳感器模塊負責收集和處理機器人周圍環境的數據，激光測距傳感器負責收集機器人移動過程中跨越障礙的長度。經過上述處理，該控制系統能夠實現機器人避障自動化。

3）執行層。仿生六足機器人步態行走控制系統由驅動器、舵機和陀螺儀組成。系統執行離散CPG模型步態輸出信號。步態信號經舵機驅動器傳輸后，輸出到機器人的各個舵機進行步態驗證。

當系統正常工作時，上位機通過無線串行通信模塊向控制器發送指令。運動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送給步態顯示模塊，步態顯示模塊根據解析后的指令顯示行走的步態和方向；其次，控制器向舵機驅動器發送指令，舵機根據解析指令驅動六足機器人舵機按指定角度旋轉，實現按指定步態行走。加速度測量模塊將機器人的加速度實時檢測出來，并通過控制器和無線串行通信模塊實時反饋給上位機，便于顯示和分析。

5 仿生六足機器人實驗驗證

通過三腳架三角步態CPG模型的輸出信號，為了在機器人的六條腿之間形成穩定的相位差，建立了環形CPG網絡模型。隨后，建立機器人腿內的關節映射函數，生成機器人腿髖關節和膝關節的旋轉角度。將輸出角度值離散化以進行步態驗證[4]。

為了避免機器人的各個關節處在運動過程中相互干擾，我們在實驗時，將髖關節的極限角度進行設置，仿真所得角度值大小為30°，實際角度值為20°。

通過實驗我們得到了實驗的測量數據，六足仿生機器人實驗樣機在規定的40 s的時間內可以走過了500 mm，機器人行走的平均速度約為12.5 mm/s，同時機器人在行走的過程中也存在一定的問題，由于機械結構的些許誤差，它并未按理想結果保持直線行走，相反，它向右側偏移了60 mm，同時也記錄了機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。通過分析實驗結果，我們可以發現，即使存在不足，但是六足仿生機器人基于CPG模型輸出的行走過程中，步伐平穩且協調，達到了仿真模擬的要求。

6 結論

六足仿生機器人的身體結構比較特別，它的關節自由度較高，以及腿與腿之間耦合程度強。因此在做相關方面的研究時，一般的建模方式基本行不通，不僅建模過程復雜，而且所得的實驗數據以及計算結果精度不滿足實驗的要求。所以針對上述遇到的問題，本文采用了基于CPG模型的仿生運動控制方式，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構很簡單，同時步態生成多樣化，對多足機器人的控制相關工作也十分有意義。