六足仿生机器人运动控制CPG机理与控制策略研究

林 放

（江门职业技术学院，广东 江门 529030）

引言

在科学技术发展飞速的21世纪，许多工作越来越需要机器人代替人类来完成，所以这也就意味着机器人不单单要适应地面上的各种活动，同时还要具备一些其他能力，比如针对复杂环境的勘查工作或者代替人类完成某些危险工作。多足机器人的腿部自由度高、步态比较灵敏，并且在复杂环境里依然能保持稳定。本文主要针对六足仿生机器人的运动控制机理以及对外界的感应能力等问题开展了一系列的研究。通过进行此类研究，笔者意在为六足仿生机器人运动控制以及复杂环境中机器人的感知能力等工作方面给后人留下参考与借鉴，同时在多足机器人的研究和应用能力水平提高等问题上同样有着不错的价值效果。

1 仿生六足机器人研究现状

世界上最早的多足机器人在1989年被研制出来，诞生于美国麻省理工学院，该机器人主要被用来探测太空[2]。主要的驱动途径是通过位置反馈来让电机完成关节驱动，同时根据电流流经全身来采集身体多个关节的相关信息，它的每条腿都可以在复杂的环境中独立行走，更出色的是它还具备一定的感知障碍，进而超越障碍的功能，这些能力的获取并不必对机器人的步态做出刻意的编程，而这些设计对于机器人本身的认知能力也可以说是极大的提高，为将来的关于机器人自我感知能力有关问题的研究，提出了一定的理论依据与参考方向。与此同时这种机器人也并非完美，它的腿部自由度比较低，而且必须要通过携带大量的传感器才能很好的感应外界环境，这很大程度上减慢了机器人的行走速度，致使效率变低。

国内相较于其他国家起步比较晚，21世纪初，北京理工大学的专家学者们通过观察自然界爬行动物的结构研制出来了一种六足仿真机器人，这种机器人最大的创新点就是可以控制它的落脚点，来让机器人行走的更加平稳。2013年，中国科学技术大学的专家们又设计出了一种水路两栖式六足机器人，这种机器人的模型来源于蟑螂，故它的步态与蟑螂的类似，为了使机器人具备水路两栖行走的能力，专家们将机器人的腿部改装成长方形片状的形状。

2 仿生六足机器人结构设计

自然界中的多足节律爬行动物都有其共有的特点，它们的身体构造整齐、腿脚灵活，将自然界这类动物的身体构造进行分析和总结，从而开展六足仿生机器人的研制与设计，关于此类研究很大程度上增强了六足仿生机器人的机构仿生效果。在本篇文章内，主要通过分析竹节虫的身体构造以及腿部机构来进行六足仿生机器人的研制工作。自然界中的竹节虫身体构造对称，六条腿分别位于身体的两边，它的腿部主要由三种不同的关节组成。

为了方便观察，我们按照一定的比例对竹虫的参考图像进行缩放，分析了竹虫各身体结构的比例和腿部主要关节的分布。本文设计了一种具有对称多边形的仿生六足机器人，同时在机器人身体的两端，每侧安放三条腿，这样的结构大大提高了机器人在行走过程中的稳定性和一致性。在构造机器人的物理模型时，我们主要使用铝合金来装配机器人的身体和腿部关节，铝合金材料不仅密度小，而且有较强的刚性，价格亲民，用它来建立起的六足仿生机器人能同时具备质量轻且强度大的优点。对于机器人的身体躯干相关设计工作，我们将其进行“架空设计”，这样做的目的一方面能有效提高机器人在工作时的负载，另一方面还能增强机器人自身的控制效果。

3 中枢模式发生器（CPG）控制的机理

应用中枢模式发生器（CPG）的多足机器人步态设计的方式，在总结和设计机器人步态时，主要通过观察和模仿自然界爬行动物的运动规律。同时，为了更好地模拟爬行动物的运动节奏，我们必须建立一个多足机器人CPG步态控制模型，在构建模型时，还应该选择合理的自激振荡器。但是，CPG网络控制模型可能不尽相同，其中较为常见的控制模型有链状结构和环状结构，将各个单元之间通过不同的连接方式组合就得到了CPG网络控制模型，针对多足动物身体躯干与腿部关节的运动，应用这种结构完全可以奏效。

采用上述的这种CPG模型进行仿生控制，使得机体完全可以脱离外界的控制信号，仅仅依靠自身就可以发出平稳的步态信号来有规律的进行运动，与此同时CPG的震荡行为可以和外界的反馈信息能够相互耦合，从而使得腿与腿之间可以足够稳定，让机体平稳的行走。如果将CPG模型中的参数大小进行更改，我们就可以得到各种各样的步态输出形式[3]。

4 仿生六足机器人运动控制与感知系统整体设计

本文把所要研究的六足仿生机器人的两个主要系统，如图1所示，即运动控制与感知系统做了一个大致的功能分类，大体的分类如下：

1）中枢模式发生层。为了选择合理的非线性CPG振荡器模型，我们通过非线性耦合振荡器生成六足机器人步态输出信号，有多少条腿就有多少个振荡器，再构造映射函数将无量纲量的振荡器输出转换为各关节旋转角度值，达到信号发生的目的。

2）运动感知层。运动感知层由激光雷达传感器模块和激光测距传感器模块组成。激光雷达传感器模块负责收集和处理机器人周围环境的数据，激光测距传感器负责收集机器人移动过程中跨越障碍的长度。经过上述处理，该控制系统能够实现机器人避障自动化。

3）执行层。仿生六足机器人步态行走控制系统由驱动器、舵机和陀螺仪组成。系统执行离散CPG模型步态输出信号。步态信号经舵机驱动器传输后，输出到机器人的各个舵机进行步态验证。

当系统正常工作时，上位机通过无线串行通信模块向控制器发送指令。运动控制器接收指令并解释指令：首先，控制器将解析后的指令发送给步态显示模块，步态显示模块根据解析后的指令显示行走的步态和方向；其次，控制器向舵机驱动器发送指令，舵机根据解析指令驱动六足机器人舵机按指定角度旋转，实现按指定步态行走。加速度测量模块将机器人的加速度实时检测出来，并通过控制器和无线串行通信模块实时反馈给上位机，便于显示和分析。

5 仿生六足机器人实验验证

通过三脚架三角步态CPG模型的输出信号，为了在机器人的六条腿之间形成稳定的相位差，建立了环形CPG网络模型。随后，建立机器人腿内的关节映射函数，生成机器人腿髋关节和膝关节的旋转角度。将输出角度值离散化以进行步态验证[4]。

为了避免机器人的各个关节处在运动过程中相互干扰，我们在实验时，将髋关节的极限角度进行设置，仿真所得角度值大小为30°，实际角度值为20°。

通过实验我们得到了实验的测量数据，六足仿生机器人实验样机在规定的40 s的时间内可以走过了500 mm，机器人行走的平均速度约为12.5 mm/s，同时机器人在行走的过程中也存在一定的问题，由于机械结构的些许误差，它并未按理想结果保持直线行走，相反，它向右侧偏移了60 mm，同时也记录了机器人在行走过程中的加速度变化，主要在-0.8~0.6 m/s2之间。通过分析实验结果，我们可以发现，即使存在不足，但是六足仿生机器人基于CPG模型输出的行走过程中，步伐平稳且协调，达到了仿真模拟的要求。

6 结论

六足仿生机器人的身体结构比较特别，它的关节自由度较高，以及腿与腿之间耦合程度强。因此在做相关方面的研究时，一般的建模方式基本行不通，不仅建模过程复杂，而且所得的实验数据以及计算结果精度不满足实验的要求。所以针对上述遇到的问题，本文采用了基于CPG模型的仿生运动控制方式，采用这种控制方式，不需要繁琐的建模过程。该控制方式的控制结构很简单，同时步态生成多样化，对多足机器人的控制相关工作也十分有意义。