基于循环抑制CPG的蛇形机器人运动控制方法

CORC > 沈阳自动化研究所 > 中国科学院沈阳自动化研究所 > 机器人学研究室

题名	基于循环抑制CPG的蛇形机器人运动控制方法
作者	卢振利1,2
答辩日期	2007-05-10
文献子类	博士
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	马书根 ; 王越超
关键词	蛇形机器人中枢模式发生器循环抑制运动控制稳定性分析
学位名称	博士
其他题名	CI-CPG Based Locomotion Control Methods for Snake-like Robots
学位专业	机械电子工程
英文摘要	蛇具有细长无肢的身体、独特的半球形关节，使其可在神经系统控制下完成与环境相适应的多种节律运动。模仿蛇的运动机理和行为方式而设计的蛇形机器人克服了轮腿式机器人的缺点，增加了机器人的运动方式，扩大了机器人的应用范围。但应用传统的控制策略实现蛇形机器人运动控制遇到了很难克服的问题。随着社会经济与科技的发展，研究人员把从蛇运动神经系统研究中得到的启示应用到蛇形机器人上，希望不仅可以解决其运动控制问题，更能在构型、步态及控制机制上皆可展示蛇的特征。生物学家已经证明动物的节律运动是其低级神经中枢的自激行为，是由中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)控制的。中枢模式发生器是一种能够在缺乏有规律的感知和中枢控制输入的情况下，产生有节奏模式输出的神经网络。本文以国家自然科学基金课题《基于CPG的蛇形机器人控制方法研究》和国家“863”高技术计划资助项目《具有环境适应能力的蛇形机器人的研究》为依托，突破以相互抑制机理研究CPG的传统观点，首次创新性地提出应用循环抑制(Cyclic Inhibition, CI)机理来研究蛇形机器人的CPG建模与实现问题。本研究涵概了神经元模型的特性分析、蛇形机器人关节循环抑制CPG建模理论、蛇形机器人循环抑制CPG神经网络稳定性分析以及典型步态的生成方法、循环抑制CPG神经网络控制蛇形机器人蜿蜒运动参数设定策略、应用动力学仿真和实验对该CPG控制方法有效性的验证。首先，本文介绍了两个用于CPG建模研究的蛇形机器人“勘查者”和“勘查者-I”。给出各自机械系统、控制系统的构成和动力学仿真平台。其次，详细分析了神经元以及传统的相互抑制(Mutual Inhibition, MI)CPG的特性。从工程角度首次创新性地应用循环抑制建模理论构建了蛇形机器人CPG模型，并对其稳定性进行了深入的分析。首次证明持续型神经元构成的单向循环抑制(Unilateral Cyclic Inhibition, UCI) CPG是能产生振荡输出CPG中微分方程数量最少的，而且其产生振荡输出的机理完全不同于传统的相互抑制CPG。其不需要具备调整功能，只需要神经元之间强的单向循环抑制连接。第三，首次应用单向激励连接循环抑制CPG构成蛇形机器人神经网络系统。分析了其稳定性，给出其产生振荡输出的条件。通过仿真和实验验证了循环抑制CPG神经网络实现典型步态(蜿蜒运动、伸缩运动和侧向运动)的有效性。首次应用双向循环抑制(Bidirectional Cyclic Inhibition, BCI)CPG神经网络在不同高级控制神经元命令激活下的输出实现蛇形机器人典型运动步态之间的转换。为蛇节律运动生成机制建模提供了新方法。最后，从实时性、控制方便性等工程应用的角度，对单向循环抑制CPG神经网络实现蛇形机器人蜿蜒运动控制进行了深入的分析。给出了S-波形、幅值、运动速度和运动轨迹曲率的参数设定策略。该系统应用首CPG自激励权重调解成功解决了传统CPG控制系统中CPG的个数比蛇形机器人关节数多一个的问题，并用其实现了一种独特的转弯控制策略。综上，为蛇形机器人运动控制提供了全新的方法。
语种	中文
产权排序	1
公开日期	2010-11-29
页码	94页
分类号	TP242
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.72.131.170//handle/173321/261]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
作者单位	1.中国科学院研究生院 2.中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	卢振利. 基于循环抑制CPG的蛇形机器人运动控制方法[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2007.