(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210890454.5 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 黄强　赖俊杭　陈学超　余张国　 高峻峣　李庆庆　 (74)专利代理 机构 南京智造力知识产权代理有 限公司 32382 专利代理师 张明明 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 9/00(2006.01) (54)发明名称 基于关键模态分解和CPG的仿人机器人低姿 匍匐全身运动规划方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于关键模态分解和CPG 的仿人机器人低姿匍匐全身运动规划方法， 将直 线低姿匍匐运动分解为四个关键运动模态， 依据 关键运动模态， 对基于Hopf振荡器的CPG耦合网 络进行参数确定和初始化， 求解CPG耦合网络的 数学模型， 得到机器人右肩部俯仰关节、 左肩部 俯仰关节、 右腿髋部俯仰关节、 左腿髋部俯仰关 节的矢状面 关键运动轨迹； 依据关键运动模态转 换的相位与幅值， 将矢状面关键运动轨迹映射为 全身运动轨迹， 全身运动轨迹由工控机发送给机 器人各关节执行， 实现仿人机器人的直线低姿匍 匐运动。 本发明基于匍匐运动关键模态分解和 CPG耦合网络， 实现了仿人机器人低姿匍匐全身 协同运动的轨 迹规划。 权利要求书4页 说明书13页 附图4页 CN 115070775 A 2022.09.20 CN 115070775 A 1.一种基于关键运动模态和CPG耦合网络的仿人机器人低姿匍匐全身运动规划方法， 其特征在于， 将具有周期性的直线低姿匍匐运动分解为四个关键运动模态， 依据关键运动 模态， 对基于Hopf振荡器的CPG耦合网络进行参数确 定和初始化， 求解CPG耦合网络的数学 模型， 得到机器人右肩部俯仰关节RArm1、 左肩部俯仰关节 LArm1、 右腿髋部俯仰关节RLeg3、 左腿髋部俯仰关节 LLeg3的矢状面关键运动轨迹； 依据关键运动模态 转换的相位与幅值， 将 矢状面关键运动轨迹映射为全身运动轨迹， 全身运动轨迹由工控机发送 给机器人各关节执 行， 实现仿人机器人的直线低姿匍匐运动。 2.根据权利要求1所述的仿人机器人低姿匍匐全身运动 规划方法， 其特征在于， 所述 四 个关键运动模态具体为： 运动模态1： 机器人的左肘部、 左膝部、 右 肘部与地 面保持接触， 右膝部处于悬空状态； 运动模态 2： 机器人的左肘部、 左膝部、 右膝部与地 面保持接触， 右 肘部处于悬空状态； 运动模态3： 机器人的左肘部、 右 肘部、 右膝部与地 面保持接触， 左膝部处于悬空状态； 运动模态4： 机器人的右 肘部、 左膝部、 右膝部与地 面保持接触， 左肘部处于悬空状态。 3.根据权利要求2所述的仿人机器人低姿匍匐全身运动规划方法， 其特征在于， 所述 CPG耦合网络由4个Hopf振荡器组成， 求解CPG耦合网络的数学模型， 得到Hopf振荡器1 的输 出信号x1、 Hopf振荡器2的输出信号x2、 Hopf振荡器3的输出信 号x3和Hopf振荡器4的输出信 号x4， 所述x1作为左肩部俯仰关节LArm1的矢状面关键运动轨迹trala1， 所述x2作为右肩部俯 仰关节RArm1的矢状面关键运动轨迹trara1， 所述x3作为左腿髋部俯仰关节LLeg3的矢状面 关键运动轨 迹trall3， 所述x4作为右腿髋部俯仰关节RLeg3的矢状面关键运动轨 迹trarl3。 4.根据权利要求3所述的仿人机器人低姿匍匐全身运动规划方法， 其特征在于， 所述 CPG耦合网络的数 学模型为： 其中： X和Y是CPG耦合网络的输出信号， 且X＝[x1 x2 x3 x4]T、 Y＝[y1 y2 y3 y4]T； 是 输 出 信 号 的 一 阶 微 分 ， A 、B 、C 均 为 系 数 矩 阵 ， Hx和 Hy为 耦 合 矩 阵 ， 且 5.根据权利要求2所述的仿人机器人低姿匍匐全身运动 规划方法， 其特征在于， 所述参 数确定包括振荡器幅值、 振荡器的振荡 频率和极限环收敛速度； 振荡器幅值平方满足： μ1＝(qla31‑qla11)2 μ2＝(qra31‑qra11)2 μ3＝(qll33‑qll13)2 μ4＝(qrl33‑qrl13)2 其中： qla31表示左肩部俯仰关节在运动模态3的关节角， qla11表示左肩部俯仰关节在运 动模态1的关节角， qra31表示右肩部俯仰关节在运动模态3的关节角， qra11表示右肩部俯仰关 节在运动模态1的关节角， qll33表示左腿髋部俯仰关节在运动模态3的关节角， qll13表示左腿权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115070775 A 2髋部俯仰关节在运动模态1的关节角， qrl33表示右腿髋部俯仰关节在运动模态3的关节角， qrl13表示右腿髋部俯仰关节在运动模态1的关节角； 振荡器的振荡 频率为： 其中： ωstance和ωswing分别是输出信号支撑相频率、 摆动相频率， bi为支撑相和摆动相 的切换速度， 且 是振荡器的振荡幅值， 为各振荡器的摆动相 频率设定值， yi为第i个振荡器的输出信号， i ＝1,2,3,4； 极限环收敛速度为： 6.根据权利要求3所述的仿人机器人低姿匍匐全身运动 规划方法， 其特征在于， 将右肩 部俯仰关节RArm1的矢状面关键运动轨迹映射为全身运动轨迹中的右上肢运动轨迹， 具体 为： 根据运动模态1和运动模态3的关节角极值， 获得右上肢各关节的运动趋势变化量Δ RArmi： ΔRArmi＝qra3i‑qra1i 则右上肢第i个关节的运动轨 迹为： 其中： i＝1,2,3,4； qra3i表示右上肢第i个关节在运动模态3的关节角， qra1i表示右上肢 第i个关节在运动模态1的关节角， trarai为右上肢第i个 关节的运动轨迹， μ2是与trara1维度 相同且元素均为1的列向量， ΔRArm1为右上肢第1个关节的运动趋势变化量， Mrai为右上肢 第i个关节的轨 迹对称中心值： qraji表示右上肢第i个关节在运动模态j的关节角。 7.根据权利要求3所述的仿人机器人低姿匍匐全身运动 规划方法， 其特征在于， 将左肩 部俯仰关节LArm1的矢状面关键运动轨迹映射为全身运动轨迹中的左 上肢运动轨迹， 具体 为： 根据运动模态1和运动模态3的关节角极值， 获得左上肢各关节的运动趋势变化量Δ LArmi： ΔLArmi＝qla3i‑qla1i 则左上肢第i个关节的运动轨 迹为： 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115070775 A 3