第5期 任杰，等：基于Hopf振荡器的六足机器人步态CPG模型设计 .633. 关节到膝关节轴线距离：股节L,为膝关节到踝关节 人三角步态的相位要求。 轴线距离：胫节L3为踝关节到足端的轴线距离。 下一步将利用Hopf振荡器相位可调优点，进行 表3六足机器人样机主要参数 六足机器人步态转换研究，实现更复杂灵活的动作。 Table 3 Main parameters of the hexapod robot 参考文献： 参数 数值 [1]JAN IJSPEERT A J.Central pattern generators for locomo- 尺寸(L×WxH)/mm 298×120×65 tion control in animals and robots:a review[J].Neural net- 质量/kg 5.64 works,2008.21(4):642-653. 髋关节范围 [2]吴正兴，喻俊志，谭民.两类仿鲹科机器鱼倒游运动控 [-π/4.π/4] 制方法的对比研究[J].自动化学报，2013,39(12)： 膝关节范围 [0./2] 2232-2242. 踝关节范围 [π/2，m] WU Zhengxing,YU Junzhi,TAN Min.Comparison of two methods to implement backward swimming for a carangiform L/mm 41 robotic fish[J].Acta automatica sinica,2013,39(12): L/mm 81.49 2232-2242. [3]WU Xiaodong,MA Shugen.Adaptive creeping locomotion of L/mm 150 a CPG-controlled snake-like robot to environment change 图11为六足机器人三角步态行走实验。实验 J].Autonomous robots,2010,28(3):283-294 平台上，每个短黑线间隔为20m,样机搭载液晶显 [4]高琴，王哲龙，赵红宇.基于Hopf振荡器实现的蛇形机 示，显示当前步态类型、振荡器预设参数。实验结果 器人的步态控制[J].机器人，2014,36(6)：688-696. 表明，机器人运动平稳，步态协调。经测量，六足机 GAO Qin,WANG Zhelong,ZHAO Hongyu.Gait control for 器人实际步长约为13.2m,平均速度为6.45m/s, a snake robot based on Hopf oscillator model[J].Robot, 2014,36(6)：688-696. 100m内直线运动略向左侧平移4m。机器人行走 [5]SEO K,CHUNG S J,SLOTINE JJ E.CPG-based control 步长与理论步长有一定偏差，原因主要由于机构设 of a turtle-like underwater vehicle[]]Autonomous robots, 计髋关节预留空间不足，实际行走未达到理论角度， 2010,28(3):247-269. 实验中为避免关节发生碰撞，实际髋关节摆动范围 [6]LIU C J,FAN Z,SEO K,Fan Z,et al.Synthesis of mat- 约为[-/6，π/6]。 suoka-based neuron oscillator models in locomotion control of robots[C]//IEEEProceedings of the Third Global Con- gress on Intelligent Systems (GCIS),2012 Third Global Congress,Wuhan,China,2012:342-347. [7]MATSUOKA K.Sustained oscillations generated by mutually 图11六足机器人三角步态行走实验 inhibiting neurons with adaptation[].Biological cybernet- Fig.11 Hexapod robot's walking experiment in tripod gait ics,1985,52(6):367-376. [8]FUKUOKA Y.KIMURA H.COHEN A H.Adaptive dy- 4结论 namic walking of a quadruped robot on irregular terrain 本文设计了一种六足机器人节律运动CPG模 based on biological concepts[J].The international journal 型，仿真和实验表明： of robotics research,2003,22(3/4):187-202. 1)加入膝踝映射函数，可实现对六足机器人关 [9]YU Junzhi,TAN Min,CHEN Jian,et al.A survey on CPG-inspired control models and system implementation 节节律运动设计，简化CPG耦合网络模型： [J].IEEE transactions on neural networks and learning 2)本文设计的关节映射函数参数合适，关节运 systems,2014,25(3):441-456. 动之间的相位关系合理： [10]BREAKSPEAR M,HEITMANN S,DAFFERTSHOFER A. 3)本文设计的CPG网络能够稳定的生成机器 Generative models of cortical oscillations:neurobiological 人的运动关节角度，输出结果较好的符合六足机器 implications of the Kuramoto model[J].Frontiers in human关节到膝关节轴线距离；股节 Ｌ２ 为膝关节到踝关节 轴线距离；胫节 Ｌ３ 为踝关节到足端的轴线距离。 表 ３ 六足机器人样机主要参数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｘａｐｏｄ ｒｏｂｏｔ 参数 数值 尺寸（Ｌ×Ｗ×Ｈ） ／ ｍｍ ２９８× １２０× ６５ 质量／ ｋｇ ５．６４ 髋关节范围 ［－π／ ４， π／ ４］ 膝关节范围 ［０，π／ ２］ 踝关节范围 ［π／ ２， π］ Ｌ１ ／ ｍｍ ４１ Ｌ２ ／ ｍｍ ８１．４９ Ｌ３ ／ ｍｍ １５０ 图 １１ 为六足机器人三角步态行走实验。 实验 平台上，每个短黑线间隔为 ２０ ｍ，样机搭载液晶显 示，显示当前步态类型、振荡器预设参数。 实验结果 表明，机器人运动平稳，步态协调。 经测量，六足机 器人实际步长约为 １３．２ ｍ，平均速度为 ６．４５ ｍ ／ ｓ， １００ ｍ 内直线运动略向左侧平移 ４ ｍ。 机器人行走 步长与理论步长有一定偏差，原因主要由于机构设 计髋关节预留空间不足，实际行走未达到理论角度， 实验中为避免关节发生碰撞，实际髋关节摆动范围 约为［－π／ ６， π／ ６］。 图 １１ 六足机器人三角步态行走实验 Ｆｉｇ．１１ Ｈｅｘａｐｏｄ ｒｏｂｏｔ’ｓ ｗａｌｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｔｒｉｐｏｄ ｇａｉｔ ４ 结论 本文设计了一种六足机器人节律运动 ＣＰＧ 模 型，仿真和实验表明： １） 加入膝踝映射函数，可实现对六足机器人关 节节律运动设计，简化 ＣＰＧ 耦合网络模型； ２） 本文设计的关节映射函数参数合适，关节运 动之间的相位关系合理； ３） 本文设计的 ＣＰＧ 网络能够稳定的生成机器 人的运动关节角度，输出结果较好的符合六足机器 人三角步态的相位要求。 下一步将利用 Ｈｏｐｆ 振荡器相位可调优点，进行 六足机器人步态转换研究，实现更复杂灵活的动作。 参考文献： ［１］ＪＡＮ ＩＪＳＰＥＥＲＴ Ａ Ｊ． Ｃｅｎｔｒａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｌｏｃｏｍｏ⁃ ｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ａｎｉｍａｌｓ ａｎｄ ｒｏｂｏｔｓ： ａ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］． Ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔ⁃ ｗｏｒｋｓ， ２００８， ２１（４）： ６４２⁃６５３． ［２］吴正兴， 喻俊志， 谭民． 两类仿鲹科机器鱼倒游运动控 制方法的对比研究［ Ｊ］． 自动化学报， ２０１３， ３９ （ １２）： ２２３２⁃２２４２． ＷＵ Ｚｈｅｎｇｘｉｎｇ， ＹＵ Ｊｕｎｚｈｉ， ＴＡＮ Ｍｉｎ． Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｗｉｍｍｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｃａｒａｎｇｉｆｏｒｍ ｒｏｂｏｔｉｃ ｆｉｓｈ ［ Ｊ］． Ａｃｔａ ａｕｔｏｍａｔｉｃａ ｓｉｎｉｃａ， ２０１３， ３９ （ １２）： ２２３２⁃２２４２． ［３］ＷＵ Ｘｉａｏｄｏｎｇ， ＭＡ Ｓｈｕｇｅｎ． Ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｒｅｅｐｉｎｇ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＣＰＧ⁃ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｎａｋｅ⁃ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃｈａｎｇｅ ［Ｊ］． Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｒｏｂｏｔｓ， ２０１０， ２８（３）： ２８３⁃２９４． ［４］高琴， 王哲龙， 赵红宇． 基于 Ｈｏｐｆ 振荡器实现的蛇形机 器人的步态控制［Ｊ］． 机器人， ２０１４， ３６（６）： ６８８⁃６９６． ＧＡＯ Ｑｉｎ， ＷＡＮＧ Ｚｈｅｌｏｎｇ， ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇｙｕ． Ｇａｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａ ｓｎａｋｅ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｏｐｆ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ［ Ｊ］． Ｒｏｂｏｔ， ２０１４， ３６（６）： ６８８⁃６９６． ［５］ＳＥＯ Ｋ， ＣＨＵＮＧ Ｓ Ｊ， ＳＬＯＴＩＮＥ Ｊ Ｊ Ｅ． ＣＰＧ⁃ｂａｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｔｕｒｔｌｅ⁃ｌｉｋｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ［ Ｊ］． Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｒｏｂｏｔｓ， ２０１０， ２８（３）： ２４７⁃２６９． ［６］ＬＩＵ Ｃ Ｊ， ＦＡＮ Ｚ， ＳＥＯ Ｋ， Ｆａｎ Ｚ， ｅｔ ａｌ． Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｍａｔ⁃ ｓｕｏｋａ⁃ｂａｓｅｄ ｎｅｕｒｏｎ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｏｂｏｔｓ［Ｃ］ ／ ／ ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｇｌｏｂａｌ Ｃｏｎ⁃ ｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ （ ＧＣＩＳ）， ２０１２ Ｔｈｉｒｄ Ｇｌｏｂａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ， Ｗｕｈａｎ， Ｃｈｉｎａ， ２０１２： ３４２⁃３４７． ［７］ＭＡＴＳＵＯＫＡ Ｋ． Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｍｕｔｕａｌｌｙ ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ ｎｅｕｒｏｎｓ ｗｉｔｈ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ［ Ｊ］． Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｙｂｅｒｎｅｔ⁃ ｉｃｓ， １９８５， ５２（６）： ３６７⁃３７６． ［８］ ＦＵＫＵＯＫＡ Ｙ， ＫＩＭＵＲＡ Ｈ， ＣＯＨＥＮ Ａ Ｈ． Ａｄａｐｔｉｖｅ ｄｙ⁃ ｎａｍｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ ｏｆ ａ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ｏｎ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｔｅｒｒａｉｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｐｔｓ［ Ｊ］． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２００３， ２２（３ ／ ４）： １８７⁃２０２． ［９］ ＹＵ Ｊｕｎｚｈｉ， ＴＡＮ Ｍｉｎ， ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｎ ＣＰＧ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ２５（３）： ４４１⁃４５６． ［１０］ＢＲＥＡＫＳＰＥＡＲ Ｍ， ＨＥＩＴＭＡＮＮ Ｓ， ＤＡＦＦＥＲＴＳＨＯＦＥＲ Ａ． Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｃｏｒｔｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ： ｎｅｕｒｏｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｕｒａｍｏｔｏ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］． Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ ｈｕｍａｎ 第 ５ 期 任杰，等：基于 Ｈｏｐｆ 振荡器的六足机器人步态 ＣＰＧ 模型设计 ·６３３·