机器人节律运动控制框架模型研究

Rhythmic movement patterns are commonly seen in the locomotion of animals，such as alternate swing of walking legs, flapping of flying wings, and oscillating in the swimming of fish fins, etc. Inspired by animal's locomotion patterns, rhythmnic movements are also fundamental motion elements for robots to achieve mobility. In this study, by using the network of coupled non-linear oscillators, a robot-independent control framework for rhythmic movements will be studied. It is expected that by using the framework, several properties in the locomotion control of robots will be obtained: online generation of gait patterns, coordination of multiple degrees-of-freedom (DOFs), smooth online transition of different movements, and adptiveness to the surrounding environments. In order to illustrate the effectiveness of the framework, experiments on two robot systems with completely different mechanical structure and functions will be conducted. The framework will be applied on a quadrupped robot to achieve online gait generation and smooth gait transition. It will be also used to coordinate multiple DOFs of a biomimetic undulaotry fin of a fish robot in order to achieve propulsion. The research will focus on several theretical and implementation issues in the motion control of robots such as the structure of the network and the coupling mechanisms. It is expected that this research will provide solid contributions to the CNLO-based rhymic movement control methodology.

节律运动如步行中腿的交替配合、飞行时翅膀的拍动、游动时鱼鳍的摆动等等，是动物运动的普遍形式。受到动物的启发，节律运动也是机器人获得移动能力的一种基本运动模式。本课题将利用耦合非线性振荡器网络（CNLO）这类近年来发展起来的描述节律运动的新方法，以实现机器人运动在线生成、多自由度动作协调、不同动作模式在线平滑切换、对接触环境具有适应性这些特性为目标，研究一种不依赖于特定的机器人、具有广泛的适用性的机器人节律运动控制框架。同时，课题将在两类形态、结构和功能完全不同的机器人系统上展开实验，利用节律运动控制框架实现四足步行机器人的在线步态生成与平滑切换，以及基于人工肌肉群驱动的仿生波动鳍多自由度协调推进运动控制。课题将针对目前 CNLO 网络在控制机器人运动过程中的存在若干理论问题和实现问题，如网络的构成形式、耦合机理等展开深入研究，期望为完善基于CNLO的节律运动控制方法提供更加完备的理论依据。

节律运动是动物运动的普遍形式，如人类行走时双足规律性交替、四足动物从行走到奔跑过程中多个肢体的协调配合摆动、鱼类游泳时鳍的波动和摆动等。动物或机器人的节律运动均可用非线性振荡器的状态变量来模拟，当一组节律运动相互协调关联时，可以用多个非线性振荡器耦合在一起构成的网络 (Coupled Nonlinear Oscillators, CNLOs) 来进行数学描述。. 本课题将利用耦合非线性振荡器网络这类描述生物或物理系统节律运动的方法，以实现机器人运动在线生成、多自由度动作协调、不同动作模式在线平滑切换、对接触环境具有适应性这些特性为目标，研究一种不依赖于特定的机器人、具有广泛的适用性的机器人节律运动控制框架。课题的研究成果包含：提出了基于非线性振荡器模型生成任意节律信号的方法；设计完成一台12自由度模块化仿生步行机器人样机；研究了振荡器耦合连接的算法及连接后网络的特性，提出了一种四足机器人步行运动的控制框架；以及开发了一套四足步行机器人的动力学仿真环境。课题在12关节四足步行机器人和8关节仿生波动机器鱼这两类形态、结构和功能完全不同的机器人系统上展开实验，利用节律运动控制框架实现了步行机器人的在线步态生成与平滑切换，以及仿生波动鳍多自由度协调推进运动控制。. 课题中所探讨的运动控制方法具有广泛的适应性，研究涉及的控制模型是一种参数化的模型，机器人的部分运动性能与模型的参数可以建立对应关系，通过在线调节这些参数可以改善机器人的运动性能。因此，课题的研究成果可以作为机器人节律运动控制的一种通用方法进行推广。