基于非线性振子的CPG控制器步态规划与环境适应性研究

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随着经济的发展,人民生活水平不断提高,医疗技术的飞速进步,截肢者对于假肢舒适度的要求也越来越高。残疾人佩戴假肢的舒适度与假肢的控制方法直接相关,自然界给予人类稳定高效的行走模式,仿生控制的研究对于假肢研究有着重大的意义。为此本论文由生物界得到启发,提出一种主动式智能假肢控制方法,使假肢佩戴者能够自然、高效的行走,改善传统假肢的性能。  近年来,仿生控制领域的研究热点之一,就是模拟生物中枢模式发生器(CentralPatternGeneratorCPG)。对于人类而言,中枢模式发生器负责许多节律运动的产生,例如:移动,咀嚼,呼吸,消化等等。基于非线性动态系统的自身特点,CPG控制器可以产生自激振荡信号,较传统的人工规划设计方法,只需要高层控制信号和感觉反馈信号进行调节,就可以产生稳定的步态,这也是CPG控制方法的优势所在。  本文将生物CPG控制器,从工程角度进行模拟,设计CPG控制器。设计过程由以下三步完成:首先,提出了一种非线性振荡器模型。经过对比几种中枢模式发生器模型,本文选取了非线性振子-Rayleigh振荡器作为CPG控制器。非线性振荡器的优点是,结构简单稳定,并且其具有固有同步特性,可使四肢协调。然后设计了可以支持不同步态的通用网络,即步态规划问题。控制器模型由两个Rayleigh振荡器组成,两个振荡器各驱动一个关节,使用遗传算法优化系统参数。最后我们阐述了如何融合本地感觉反馈,以及自适应频率振荡器的学习规则。当外界环境改变时,CPG控制器可以自动调整工作状态,以降低对人体残肢的影响,达到一种自我保护功能,提高智能假肢的环境适应能力。
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