江苏海洋大学大学生创新创业项目结题报告

江苏海洋大学大学生创新创业项目结题报项目编号Z019项目名称四足仿生机器人的仿脊髓控制器设计项目负责人魏博烽学院电子工程学院专业测控181指导教师刘强（电）、黄保坤项目年度2021学院电子工程学院项目编号Z019项目名称四足仿生机器人的仿脊髓控制器设计项目类型校级项目（自筹）计划完成时间年月20225项目起始时间年2021研究期限月6实际完成时间年月20225姓名年级学号联系电话项目分工反射结构和水平倾斜控制及脊椎魏博烽级2018控制器的设计与完善左右倾斜控制和资料收集整理与王兴级2018结题报告，及脊椎控制器的设计项目与完善负责重心控制和脊椎控制器的设计与人及周显龙级2019完善成员姓名职务承担的工作刘强（电）教授指导实验的进行和专利的申请指导黄保坤副教授指导实验的进行和专利的申请教师

一、项目实施情况（请就研究目标、研究过程、研究成果、研究心得作全面总结，字以内）3000s

一、研究目标世纪年代初，许多国外的科学家和研究人员致力于研究条腿式机器人在年，20601960提出采用联动机构，包括四杆机构、凸轮机构、缩放机构，作为腿式机器人的运动机构Shigley腿部的运动由一组双摇杆机构控制和于年制作了被称为的McGhee Frank1966“Phoney Pony”四足机器这是第一辆腿式的运载工具，在全电脑控制下自主行走每条腿有两个自由度（）DOFs系统，并能进行简单的爬行运动，以及取决于选定状态图的对角线小跑具有十Phoney Pony分重要的意义，因为它激发了去建立新的在步行机器人的历史上也起到重要作用的机McGhee器和（）在年代初，美国麻省理工学院（）OSU hexapodAdaptive SuspensionVehicle ASV80MIT的Marc Raibert,我以及日本东京大学的首次对步行机器人进行了系统的研究H.Miura,Shimoyama MarcRaibert建立平面以及立体的独腿跳跃机器人在关于跳跃机器人的三个控制原理的基础上，两Raibert足和四足可以跑可以跳的机器人随后也制造出来这是四足机器人动态步态运动控制的一个里程碑在至年间，动态行走的四足机器人和已经研制成功，东京大19841987Collie-1Collie-2学的和对此进行了更深入的研究这些机器人可以实现小ProfessorMiura ProfessorShimoyama跑和踱步以及小跑和踱步之间的过渡在国内，目前已经有一种零力矩点稳定性判据的反应式行为控制策略和利用一种逆解算法设计的基于姿态信息的四足机器人控制系统，以及为保持机器人在水平的前后倾斜和左右倾斜控制方法以及防止机器人摔倒的重心控制方法并都得到了实验验证基于目前仿生机器人还存在的一些问题，本次研究将主要对仿生机器人的脊髓控制系统进行设计与完善本次研究将采用通过比较生物学概念设计出来的神经系统，其构成由（中CPG枢模式发生器）、反应和反射结构组成并且在关节处采用控制器构造虚拟弹簧阻尼系统作PD为肌肉的缓冲模型每当有响应可以直接和快速地调制相位，进行处理产生反射直接CPG CPG产生关节扭矩，以此模仿生物的屈肌反射这样可以防止腿被小的肿块和鹅卵石绊倒，同时极大的改善了仿生机器人动作的僵硬以及仿肢的不协调性

二、研究过程基于上文所述通过比较生物学概念设计出来的神经系统，本次项目可大致分为如下研究过程本文拟采用、反应和反射机构组成的神经系统，首先收集相关文献了解控制网络CPG CPG基于神经元是神经系统的基本单位，学习神经元工作机理，学习并掌握神经元的数学模型基于多层的控制结构，学习神经网络模型，使其应用于四足机器人的各个关节各个关节层建立相应的耦合关系，并在关节处采用控制器构造虚拟弹簧-阻尼器系统作为肌肉的缓冲模型，PD-实现四足机器人的不同步态，以此实现四足机器人的脊髓控制网络其次，基于构建的脊髓控制器，对其进行优化，拟采用从反射结构和水平倾斜控制、左右倾斜控制、重心控制三个方面，对所构建的脊髓控制器进行优化和完善再者，实现和的联合仿真，对四足机器人的运动状态做出总结，以用于日Simulink Webots后对脊髓控制器做进一步的优化和完善最后，发表相关软件著作权的发表和撰写相关论文，完成本次项目预期成果撰写本次项目的结题报告，做好结题工作本次项目计划时间大致如下资料收集

2021.5-

5.21开题报告和构筑控制器所需的实验材料

2021.

5.22-7仿生机器人控制器的设计

2021.9-1仿生机器人控制器的安装及对仿生机器人的实际性能测试

2022.3-4仿生机器人控制器的改善

2022.4-

4.21报告总结

2022.

4.22-

5.1

三、研究成果刘强，张凯，魏博烽，王兴.四足机器人侧步转弯的仿脊髓控制研究.集成电路应

1.[J]用（）,2022,3902:134-

135.刘强，张凯，魏博烽，王兴与环境下四足机器人仿脊髓控制研究.科学

2.Simulink Webots[J]技术创新（）,202135:54-

57..四足机器人多步态运动控制仿真系统软件著作权的登记

四、研究心得3V

1.0本次项目的初心一一构建一个四足机器人脊髓控制系统以解决目前仿生机器人动作的僵硬及其仿肢的不协调在本次研究过程中，基于控制网络构建的仿脊髓控制器开拓了成员们CPG在仿生机器人领域中的视野在此次研究项目中，对四足机器人的仿脊髓控制网络的构建对我个人留下极深的印象基于多层拓扑结构形成的仿脊髓控制网络，依靠不同髓关节部位的CPG非线性振荡器的不同相位差，实现四足机器人不同步态及切换从一开始对陌生的概念，CPG到通过文献查阅，自主思考的过程对日后学习都有很大的帮助，这种学习模式不同于大学专业课程的学习，从无知者无畏到静心钻研自主思考，无论日后是否从事研究工作都有助于在新的难题面前沉心苦思

二、项目创新点与特色通过比较生物学概念设计出来的神经系统，在其关节处使用控制器构造虚拟弹簧-阻尼PD-器系统作为肌肉的缓冲模型神经系统模型是由一个（中央模式发生器）响应和反射结构CPG

三、项目成果:项目申请书中的公开发表论文2）篇、专利（）项、调查报告（预期成果及成果软件、著作（）份、实物（）件、竞赛获奖（）次1提交形式其它））篇、专利（）项、调查报告（）份2项目结题时取得（）份、实物（）件、竞赛获奖（）次1的成果公开发表论文）组成在该系统下四足仿生（机器软人件将、可著以作产生屈肌反射项目主要研究成果情况（其它刘强，张凯，魏博烽，王兴.四足机器人侧步转弯的仿脊髓控制研究.集成电路应

1.[J]用,2022,39

（02）:134-

135.（刘强，张凯，魏博烽，王兴与环境下四足机器人仿脊髓控制研究.科学

2..Simulink Webots[J]技术创新,202135:54-

57..四足机器人多步态运动控制仿真系统软件著作权的登记3VI.0

四、研究体会和心得字以内500通过本次创新训练，我们了解到了四足机器人是移动机器人研究领域中重要的研究方向,因具备负载能力强、环境适应性强和运动灵活等优点,在物资运输、救灾检测和家政服务等领域有着广泛的应用前景因此，对四足机器人的运动控制进行研究具有重要理论意义与现实价值在研究方面，最深的体会就是要勤于思考，主动进行实践环节创新性试验并没有已有的模板可以按部就班，要一步步的计划并且在实施过程中进行协调每一个环节都需要独立的思考，都需要大家共同的参与与配合在创新方面，重在明确创新的方向和目标在多次的反复协商讨论后，我们达成一致的意见，之后的所有工作都围绕它开展我们用尽可能科学的方法，进行了相关的模型分析，对于数据来源严格把关，尽可能确保每一份问卷的真实性与有效性对于获得的数据，进行了后期的分析与挖掘，以得出可信度高的结果最后，任何一个突破性、创新性的成就都是从“平凡有点枯燥”的过程中一步步得出来的在这次实训中，我们学会了理论联系实际，不仅加强了对专业知识的理解与运用，也学会了迎难而上，同时还有坚持不懈的务实态度和团队协作的精神创新创业实训成为我们成长过程T中的宝贵经验和财富

五、经费使用情况项目获批总经费元项目经费开支情况用途实际使用资金元用于项目研发的元器件、软硬件测试、小型硬件购置o剩余资金元0资料购置、打印、复印、印刷等费用申请专利费所用资金学生撰写与项目有关的论文版面费元500元50元600元500指导教师意见:签字:学校专家组建议:专家组成员签字:年月日学校意见教务处负责人签字:年月日。