一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109434815A(43)申请公布日2019.03.08(21)申请号201811424835.4(22)申请日2018.11.27(71)申请人东南大学地址210096江苏省南京市玄武区四牌楼2号(72)发明人乔贵方宋光明韦中孙大林戚奇恩宋爱国(74)专利代理机构南京众联专利代理有限公司32206代理人张伟(51)Int.Cl.B25J9/06(2006.01)B25J9/16(2006.01)B25J17/02(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图4页(54)发明名称一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法(57)摘要本发明公开一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法，机器人包括一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块，各个模块之间通过销轴固定连接；所述的头部模块为内部中空结构，用于安装蛇形机器人的控制单元。所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧、连接轴以及被动轮。微型伺服电机通过一个CPG振荡器控制，各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络，CPG振荡器输出信号，控制伺服电机动作，实现轨迹以及刚度的控制。CN109434815ACN109434815A权利要求书1/2页1.一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：包含一个头部模块、多个连接模块以及一个尾部模块，各个模块之间通过销轴固定连接；所述的头部模块为内部中空结构，用于安装蛇形机器人的控制单元；所述的连接模块包含外框、两个微型伺服电机，分别为上微型伺服电机以及下微型伺服电机、同步齿轮、两个关节连接扭簧，分别为上关节连接扭簧和下关节连接扭簧、连接轴以及被动轮；所述的上微型伺服电机固定安装在外框的上侧，其输出轴与上关节连接扭簧的中心凸台固定连接，上关节连接扭簧的外边框与连接轴的顶面固定连接，下微型伺服电机固定安装在外框底侧，其输出轴与下关节连接扭簧的中心凸台固定连接，下关节连接扭簧的外边框与连接轴的底面固定连接；同步齿轮卡装在外框的中心位置，与连接轴的侧边齿轮啮合；被动轮的轴穿过外框底侧的轴孔，在连接模块的外框的后侧还设置有连接轴孔，各个连接模块之间通过连接轴与连接轴孔配合连接；所述的尾部模块与连接模块具有相同的内部结构，尾部模块外框的后侧没有扩展连接轴孔；各个微型伺服电机以及下微型伺服电机均通过一个CPG振荡器控制，各CPG振荡器共同耦合而成整个CPG网络，CPG振荡器输出信号，控制伺服电机动作。2.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：所述的CPG振荡器采用Kuramoto模型建立而成，其振荡器的模块为(1)式所示。其中，参数θi是振荡器的状态变量，ωi是振荡器的固有频率，wij是振荡器间的耦合权重，Φi是振荡器的输出信号，Ai是蛇形机器人关节摆动的幅值，γi是蛇形机器人运动方向控制参数，δi是蛇形机器人关节刚度控制参数。3.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：所述的连接模块设置有9个。4.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人，其特征在于：所述的外框包括左外框与右外框，左外框与右外框之间通过螺丝固定连接。5.根据权利要求1所述的一种基于CPG模型的蛇形机器人的关节轨迹/刚度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：蛇形机器人的主控单元根据人工控制要求或传感器反馈信息，调整CPG网络控制参数；步骤二：在步骤一中所设定的控制参数下，CPG网络能够生成具有固定相位差的相位信号；步骤三：利用正弦映射函数，将步骤二中CPG网络输出的相位信号映射为蛇形机器人的关节伺服电机的运动轨迹控制信号，各个伺服电机根据运动轨迹控制信号进行运动；步骤四：蛇形机器人每个关节由两个伺服电机共同驱动控制，单关节内的两个伺服电机的运动轨迹控制信号完全同步，即相位φij、角频率ωi、幅值Ai、偏差γi均相等，不同关节内伺服电机的运动轨迹控制信号的相位φij不同，但角频率ωi、幅值Ai、偏差γi均相等；步骤五：当外部环境发生改变时，蛇形机器人为适应当前环境，可以通过改变步骤三映射函数中的参数δi，单关节内的两个伺服电机的运动轨迹控制信号具有位置偏移，该位置偏移将导致关节连接扭簧的被压缩或释放，从而改变蛇形机器人关节的刚度；2CN109434815A权利要求书2/2页步骤六：蛇形机器人的主控单元根据所接收到的传感器反馈信号或新的人工控制要求，重复步骤一至五，调整各个伺服电机运动轨迹控制信号。3CN109434815A说明书1/4页一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控制方法技术领域[0001]本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种基于CPG模型的蛇形机器人及其关节轨迹/刚度控