雙足水上行走機器人控制方法研究及仿真

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目 （ 50905175） ； 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ：足水上行走機器人控制方法研究及仿真 魏鮮明 1,2，徐林森 2，曹凱 3，趙江海 2 （ 1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 安徽 合肥 230026； 安徽 合肥 230026； 江蘇 常州 213164） 摘 要： 本文以雙足水上行走機器人為控制對象，研究能夠?qū)崿F(xiàn)其水上行走的控制方法。由于水面環(huán)境的復(fù)雜性，雙足機器人水上行走時具有外界環(huán)境難以建模、步態(tài)規(guī)劃有效性低、水面干擾強度較大的特點，傳統(tǒng)的基于模型的精確運動學(xué)求解方法無法適用。因此本文研究了 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的控制 算法，對機器人水上行走進(jìn)行過程控制。利用機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真的方法，得到機器人的非線性模型。建立了雙足機器人控制系統(tǒng)框圖，仿真驗證該算法的有效性，仿真結(jié)果表明，該算法能夠滿足雙足機器人水上行走的控制要求。 關(guān)鍵詞： 雙足機器人；水上行走； 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模糊控制；聯(lián)合仿真 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： n , . （ 1. 30026, 2. 13164,3. In on is As of on as so is PG is of is In to of is of on on 引言 (雙足水上行走機器人是以蛇怪蜥蜴為仿生對象，模擬其水上行 走功能的機器人，其最終目的是開發(fā)出能在陸地和水面行走的水陸兩棲雙足機器人，以便在復(fù)雜的水陸環(huán)境下從事軍事偵查、水質(zhì)檢測、濕地探測、抗洪救災(zāi)等工作。 現(xiàn)有雙足機器人行走的研究主要集中在地面環(huán)境，利用 力矩點或其 它 判據(jù)對機器人進(jìn)行補償控制，以維持機器人的平衡性，采用建模 控制的思路，需要對機器人本體及環(huán)境建立精確的數(shù)學(xué)模型，這種傳統(tǒng)的基于模型的運動控制方法具有動力學(xué)建模繁瑣、運動規(guī)劃復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性低、魯棒性差等缺點。雙足水上行走機器人和基于地面環(huán)境的雙足機器人有很大的不同，地面行走機器人控制的關(guān)鍵 是維持其行走過程平衡性，即防止機器人在行走過程中摔倒。水上行走機器人除了要保持行走過程中的動態(tài)平衡，還要使其維持在水面上，防止沉入水底。由于雙足水上行走機器人具有外界環(huán)境難以建模、水面擾動強度很大、運動規(guī)劃有效性低的特點，經(jīng)典的基于模型的精確運動學(xué)求解方法難以適用。 基于 夠在缺乏高層控制信號和外部反饋的情況下，自發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律性運動，無需對環(huán)境和自身建模，可以減少控制系統(tǒng)的工作量，節(jié)約工作時間，通過調(diào)節(jié)組成 絡(luò)各個神經(jīng)元的連接方式， 以及各個神經(jīng)元的內(nèi)部參數(shù)，能夠產(chǎn)生多種穩(wěn)定自然的相位關(guān)系，實現(xiàn)不同的運動方式。自從 1972 年， 出模糊控制原理以來，模糊控制得到了較大的發(fā)展。模糊控制因其無需知道被控對象數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造容易，魯棒性強等一系列優(yōu)點，受到了越來越多人的關(guān)注。雙足水上行走機器人由于其自身的特殊性，采用經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合的算法來對其進(jìn)行水上行走過程控制。 2 雙足 水上行走 機器人動力學(xué)分析 (on on 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目 （ 50905175） ； 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 過對蛇怪蜥 蜴身體結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的分析，最終建立如圖 1 所示的雙足水上行走機器人虛擬樣機模型。 圖 1 雙足水上行走機器人虛擬樣機 1 of 足機器人水上行走過程分三個階段：拍打、沖擊和恢復(fù)。拍打階段能夠提供一定的上升力，但保持身體不會下沉的力絕大多數(shù)來自于沖擊階段。在沖擊階段，水對機器人腳掌的驅(qū)動力如下： 12 )( (1) 式 中 ， )( 隨 時 間 變 化 的 驅(qū) 動力 , 是阻尼系數(shù)， S 是腳掌與水接觸的有效面積， 是水的密度， v 是腳掌運動速度， )(g 是重力加速度，利用公式 (1)仿真得到的腳步所受上升力曲線如下所示： 圖 2器人左腳上升力 2he of 2器人右腳上升力 2he of 真結(jié)果顯示，雙足水上行走機器人腳步所得到的上升力能夠使機器人保持在水面上。 3 雙足 水上行走 機器人 (on on 當(dāng)機器人在水中行走時，通過調(diào)節(jié)平衡質(zhì)量塊，對機器人進(jìn)行補償控制，來保持機器人的動態(tài)平衡，防止機器人傾倒沉入水中。 雙 足水上行走機器人采用 制系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。 機器人 型數(shù)初始化判斷輸出結(jié)果調(diào)整腳步姿態(tài)測量身體傾斜角模糊控制參數(shù)初始化模糊控制補償反饋調(diào)整圖 3 3 雙足水上行走機器人 絡(luò)的輸出為高電平時，機器人的腳掌處于拍打、沖擊階段，當(dāng)輸出為低電平時，機器人的腳掌處于恢復(fù)階段，在行走過程中，實時檢測機器人身體傾斜角 ，通過模糊控制，對機器人的運動進(jìn)行補償，實現(xiàn)機器人水上行走的動態(tài)平衡。 所示。 圖 4 機器人 4 of 足水上行走機器人 型 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮各個運動關(guān)節(jié)在不同目標(biāo)和環(huán)境下的協(xié)調(diào)性，避免了對動力學(xué)建模準(zhǔn)確度的依賴，具有良好的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性。選擇合適的數(shù)學(xué)模型來模擬 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元，是實現(xiàn)機器人運動控制的關(guān)鍵。 日本學(xué)者 出了互抑制的神經(jīng)振蕩器模型，該模型很好的表達(dá)了神經(jīng)元的自抑制與互抑制特性，通過改變相互連接的神經(jīng)振蕩器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和權(quán)值，能夠產(chǎn)生具有多種相位 關(guān)系的信號。瑞 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目 （ 50905175） ； 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 出用 蕩器來模擬神經(jīng)元的振蕩特性，此模型相對比較簡單，能夠很容易的控制振蕩器輸出信號的幅值和頻率。此外，還有很多其它的數(shù)學(xué)模型。仿王晰水上行走機器人關(guān)節(jié)較少，本文選用 蕩器作為 蕩器數(shù)學(xué)方程如下： )( 2 ( )( 2 (式中： 22 ， 0 ， 決定輸出信號的幅值， 決定輸出信號的頻率。我們利用雙向連接的兩個 蕩器組成 控制模型，方程如下： 21112111 )( (12111 )( (12222222 )( (222222 )( (式中 , 21211 , 22222 , 1 , 2 是連接權(quán)值 ,1x , 2x 分別是兩個振蕩器的輸出。 振蕩器的模型框圖，如圖 5 所示： 圖 5 雙向 蕩器模型 5 器人水上行走時，通過腳掌的拍擊、沖擊，會在水中產(chǎn)生一個氣腔，水上行走的恢復(fù)階段是在氣腔上部閉合前完成的。氣腔張開時間由以下方程決定： 1285.2 (4) 怪蜥蜴腳掌與水接觸的有效半徑， g :重力加速度 ,當(dāng)腳掌半徑 0時，氣穴張開的時間 )(103.0 ，則驅(qū)動腿的轉(zhuǎn)動頻率為當(dāng)腳掌半徑 0 時，氣穴張開的時間 )(126.0 ，則驅(qū)動腿的轉(zhuǎn)動頻率為 當(dāng) 60 ， 01 ， 12 ，時，振蕩器仿真輸出如圖 6 所示。 圖 6 10蕩器輸出 6 10HZ 真輸出頻率大約在 兩路輸出信號相位相差 180 ，能夠滿足要求，當(dāng)時間為 ，振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號。得到的輸出信號進(jìn)行比較，所得到的 )(65 s 仿真結(jié)果如圖 7 所示。 圖 7 加入比較器的 蕩網(wǎng)絡(luò)輸出 7 果分析 表明， 蕩器輸出能夠用來對機器人腳步進(jìn)行運動控制，通過調(diào)整 絡(luò)的內(nèi)部參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人腳步的多種相位關(guān)系。 足水上行走機器人數(shù)學(xué)模型及模糊控制 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目 （ 50905175） ； 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 大多數(shù)對象的實際模型是復(fù)雜的非線性模型，非線性模型簡化為線性模型的過程中，存在著誤差加大，近似不準(zhǔn)確的缺點。本文利用機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，通過虛擬樣機模型直接生成被控對象的非線性數(shù)學(xué)模型。該方法避免了人為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的復(fù)雜性，得到了與現(xiàn)實對象更為接近的模型。水上行走機器人是雙足運動，主要考慮與機器人前進(jìn)方向垂直的平面內(nèi)的機器人運動平衡控制 。 圖 8 機器人后視圖 8 of 8 所示為機器人的后視圖， 為機器人身體與豎直方向的傾斜夾角。以傾斜角 為輸出變量，平衡質(zhì)量塊運動時產(chǎn)生的等效力矩為輸入變量，利用機電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真功能，得到機器人控制模型如圖 9 所示。 圖 9 被控對象模型框圖 9 直方向與機器人身體的夾角 E 及夾角變化率兩個輸入語言變量，模糊控制箱的輸出 U 為輸出語言變量，隸屬度函數(shù)定義如圖 10 所示。 圖 10差隸屬度函數(shù) 10of 10差變化率隸屬度函數(shù) 10of 10出隸屬度函數(shù) 10of 語言變量的隸屬度函數(shù)采用上圖時，圖 4 機器人 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目 （ 50905175） ； 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 11 機器人傾斜角 11 of 仿真結(jié)果分析 可得， 右時，機器人的傾斜角出現(xiàn)大范圍的振蕩，這是由所建立的模型導(dǎo)致的，機器人身體最大傾斜角為 20 左右，可以接受。實驗表明，通過施加控制，機器人的傾斜角能夠穩(wěn)定在 0 附近。 4 結(jié)論 (通過機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真，得到了仿生雙足水上行走機器人的非線性模型，利用 絡(luò)實現(xiàn)了對機器人雙足的控制，為了防止機器人傾倒，模糊控制被引入到此機器人控制系統(tǒng)中，仿真實驗表 明，水上行走機器人的設(shè)計是可行的。 參 考 文 獻(xiàn) ( 1 A / 2006. 2 u, i, u, 2011, 4543 A of a . 2010, 23, 4524 / 011 315 at . 2006, 38, 396 J. . A of in . 1996, 380, 407 鄭浩峻，張秀麗，李鐵民，段廣洪 。 基于 理的機器人運動控制方法 J。 高技術(shù)通訊， 2003， 7。 8 馬宏緒，王 劍，黃茜等 。 基于 人機器人運動控制方法研究 C， of 2006， 8843 9 賈榮叢，高坤，王劃一 。 雙足機器人的倒立擺模型控制系統(tǒng)的研究 J。 機器人技術(shù) ， 2009， 1008 作者簡介： 魏鮮明 （ 1989 男 ， 碩士研究生在讀。 研究 領(lǐng)域：自動化控制工程，仿生機器人。