雙足水上行走機(jī)器人控制方法研究及仿真

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （ 50905175） ； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ：足水上行走機(jī)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(jī)器人為控制對(duì)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(jī)器人水上行走時(shí)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(qiáng)度較大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的基于模型的精確運(yùn)動(dòng)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(duì)機(jī)器人水上行走進(jìn)行過程控制。利用機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真的方法，得到機(jī)器人的非線性模型。建立了雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖，仿真驗(yàn)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(jī)器人水上行走的控制要求。 關(guān)鍵詞： 雙足機(jī)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(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jī)器人是以蛇怪蜥蜴為仿生對(duì)象，模擬其水上行 走功能的機(jī)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(jī)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(cè)、濕地探測(cè)、抗洪救災(zāi)等工作。 現(xiàn)有雙足機(jī)器人行走的研究主要集中在地面環(huán)境，利用 力矩點(diǎn)或其 它 判據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)償控制，以維持機(jī)器人的平衡性，采用建模 控制的思路，需要對(duì)機(jī)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(yùn)動(dòng)控制方法具有動(dòng)力學(xué)建模繁瑣、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性低、魯棒性差等缺點(diǎn)。雙足水上行走機(jī)器人和基于地面環(huán)境的雙足機(jī)器人有很大的不同，地面行走機(jī)器人控制的關(guān)鍵 是維持其行走過程平衡性，即防止機(jī)器人在行走過程中摔倒。水上行走機(jī)器人除了要保持行走過程中的動(dòng)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(jī)器人具有外界環(huán)境難以建模、水面擾動(dòng)強(qiáng)度很大、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃有效性低的特點(diǎn)，經(jīng)典的基于模型的精確運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法難以適用。 基于 夠在缺乏高層控制信號(hào)和外部反饋的情況下，自發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)，無需對(duì)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(shí)間，通過調(diào)節(jié)組成 絡(luò)各個(gè)神經(jīng)元的連接方式， 以及各個(gè)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(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)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(duì)象數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造容易，魯棒性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多人的關(guān)注。雙足水上行走機(jī)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(duì)其進(jìn)行水上行走過程控制。 2 雙足 水上行走 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 (on on 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （ 50905175） ； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 過對(duì)蛇怪蜥 蜴身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，最終建立如圖 1 所示的雙足水上行走機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型。 圖 1 雙足水上行走機(jī)器人虛擬樣機(jī) 1 of 足機(jī)器人水上行走過程分三個(gè)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(huì)下沉的力絕大多數(shù)來自于沖擊階段。在沖擊階段，水對(duì)機(jī)器人腳掌的驅(qū)動(dòng)力如下： ]1[2 )](( ??? ?? (1) 式 中 ， )( 隨 時(shí) 間 變 化 的 驅(qū) 動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)器人腳步所得到的上升力能夠使機(jī)器人保持在水面上。 3 雙足 水上行走 機(jī)器人 (on on 當(dāng)機(jī)器人在水中行走時(shí)，通過調(diào)節(jié)平衡質(zhì)量塊，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)償控制，來保持機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡，防止機(jī)器人傾倒沉入水中。 雙 足水上行走機(jī)器人采用 制系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。 機(jī)器人 型數(shù)初始化判斷輸出結(jié)果調(diào)整腳步姿態(tài)測(cè)量身體傾斜角模糊控制參數(shù)初始化模糊控制補(bǔ)償反饋調(diào)整圖 3 3 雙足水上行走機(jī)器人 絡(luò)的輸出為高電平時(shí)，機(jī)器人的腳掌處于拍打、沖擊階段，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，機(jī)器人的腳掌處于恢復(fù)階段，在行走過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人身體傾斜角 θ，通過模糊控制，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水上行走的動(dòng)態(tài)平衡。 所示。 圖 4 機(jī)器人 4 of 足水上行走機(jī)器人 型 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮各個(gè)運(yùn)動(dòng)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(duì)動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(hào)。瑞 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （ 50905175） ； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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(duì)比較簡(jiǎn)單，能夠很容易的控制振蕩器輸出信號(hào)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(jī)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(hào)的幅值， ? 決定輸出信號(hào)的頻率。我們利用雙向連接的兩個(gè) 蕩器組成 控制模型，方程如下： 2111211'1 )( ??? ???? (1211'1 )( ?? ??? (1222222'2 )( ?? ???? (22222'2 )( ?? ??? (式中 , 21211 ??, 22222 ??, 1? , 2? 是連接權(quán)值 ,1x , 2x 分別是兩個(gè)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(shí)，通過腳掌的拍擊、沖擊，會(huì)在水中產(chǎn)生一個(gè)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(shí)間由以下方程決定： ]1[285.2 (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(shí)，氣穴張開的時(shí)間 )(103.0 ，則驅(qū)動(dòng)腿的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為當(dāng)腳掌半徑 0? 時(shí)，氣穴張開的時(shí)間 )(126.0 ，則驅(qū)動(dòng)腿的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為 當(dāng) 60?? ， 01?? ， 12 ??? ，時(shí)，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(hào)相位相差 ?180 ，能夠滿足要求，當(dāng)時(shí)間為 ，振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)。得到的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，所得到的 )(6~5 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(duì)機(jī)器人腳步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，通過調(diào)整 絡(luò)的內(nèi)部參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人腳步的多種相位關(guān)系。 足水上行走機(jī)器人數(shù)學(xué)模型及模糊控制 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （ 50905175） ； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 大多數(shù)對(duì)象的實(shí)際模型是復(fù)雜的非線性模型，非線性模型簡(jiǎn)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(diǎn)。本文利用機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，通過虛擬樣機(jī)模型直接生成被控對(duì)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(shí)對(duì)象更為接近的模型。水上行走機(jī)器人是雙足運(yùn)動(dòng)，主要考慮與機(jī)器人前進(jìn)方向垂直的平面內(nèi)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡控制 。 圖 8 機(jī)器人后視圖 8 of 8 所示為機(jī)器人的后視圖， θ 為機(jī)器人身體與豎直方向的傾斜夾角。以傾斜角 θ 為輸出變量，平衡質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的等效力矩為輸入變量，利用機(jī)電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真功能，得到機(jī)器人控制模型如圖 9 所示。 圖 9 被控對(duì)象模型框圖 9 直方向與機(jī)器人身體的夾角 E 及夾角變化率兩個(gè)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(shí)，圖 4 機(jī)器人 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （ 50905175） ； 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 （ 2011 通訊作者 ：魏鮮明 ， 收 稿 /錄用 /修回 ： 11 機(jī)器人傾斜角 11 of 仿真結(jié)果分析 可得， 右時(shí)，機(jī)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(jī)器人身體最大傾斜角為 ?20 左右，可以接受。實(shí)驗(yàn)表明，通過施加控制，機(jī)器人的傾斜角能夠穩(wěn)定在 ?0 附近。 4 結(jié)論 (通過機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真，得到了仿生雙足水上行走機(jī)器人的非線性模型，利用 絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人雙足的控制，為了防止機(jī)器人傾倒，模糊控制被引入到此機(jī)器人控制系統(tǒng)中，仿真實(shí)驗(yàn)表 明，水上行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)是可行的。 參 考 文 獻(xiàn) ( [1] A ]// 2006. [2] u, i, u, ]2011, 454[3] A of a ]. 2010, 23, 452[4] ]// 011 31[5] at ]. 2006, 38, 39[6] J. . A of in ]. 1996, 380, 407] 鄭浩峻，張秀麗，李鐵民，段廣洪 。 基于 理的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法研究 [C]， of 2006， 8843 [9] 賈榮叢，高坤，王劃一 。 雙足機(jī)器人的倒立擺模型控制系統(tǒng)的研究 [J]。 機(jī)器人技術(shù) ， 2009， 1008 作者簡(jiǎn)介： 魏鮮明 （ 1989 男 ， 碩士研究生在讀。 研究 領(lǐng)域：自動(dòng)化控制工程，仿生機(jī)器人。