(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 202210838002.2 (22)申请日 2022.07.16 (71)申请人 上海海洋大学 地址 201306 上海市浦东 新区沪城环路9 99 号 (72)发明人 张英　李炳麟　黄小双　姜书侠　 孔祥洪　陈新军　初文华　张忠　 (74)专利代理 机构 上海申浩 律师事务所 31280 专利代理师 田敏 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于CPG的三关节仿生鱼类运动精确控 制算法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于CPG的多关节仿生鱼 类运动精确控制算法及其系统， 包括以下步骤： 利用Solidworks软件建立三关节仿生机器鱼系 统的零件； 下载相关插件使Solidworks与 Simulink相互连接， 通过添加Simu link模块实现 对机构的控制 、 仿真分析； 定义CPG网络算法所需 的数学模型； 基于耦合非线性关节振 荡器的数学 模型建立相位关节振荡器模型； 建立的非线性微 分振子模型进行求解； 在Si mulink中搭建仿生机 器鱼仿真系统； 关节振荡器给相邻关节振荡器传 递信号。 本发明产生的周 期振荡的信号， 使其能 够满足节 律运动的特点。 具有良好的参数突变适 应性； 可以获得唯一解， 减少误差； 降低了计算的 复杂度。 权利要求书2页 说明书7页 附图7页 CN 115107033 A 2022.09.27 CN 115107033 A 1.一种基于 CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 利用Solidworks软件建立三关节仿生机器鱼系统的零件， 并根据机器鱼的运动 特点建立驱动关节间的几何关系； 步骤2、 下载相关插件使Solidworks与Simulink相互连接， 通过添加Simulink模块实现 对机构的控制、 仿真 分析； 步骤3、 定义CPG网络算法所需的数 学模型； 步骤4、 基于耦合非线性关节振荡器的数 学模型建立相位关节振荡器模型； 步骤5、 建立的非线性 微分振子模型并对其进行求 解； 步骤6、 在Simulink中搭建整个仿生机器鱼仿真系统， 其中包括输入参数input子系统 和三关节模型的body子系统， 并输出耦合网络 CPG模型； 步骤7、 关节振荡器给其相邻关节振荡器传递信号， 每个关节振荡器的输出参数经过映 射函数输出对应信号给 该关节振荡器对应的舵机 。 2.根据权利要求1所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述步骤4包括如下步骤： 4.1建立具有关节振荡器的位置控制结构的CPG模型； 4.2通过选定关节振荡器产生极限环的形状以确定一个循环期间每个关节角度将实际 执行的轨迹； 4.3每个关节振荡器对于对应关节的舵机输出信号， 该输出信号先通过映射函数转化 为关节位置控制信号。 3.根据权利要求1所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述步骤6中根据CPG模 型构建CPG网络结构拓扑图， 采用耦合网络拓扑结构来描述各关 节振荡器模型的输出信号间的相位耦合关系， 对CPG模型的相关参数的取值范围进 行限定： 设定ai控制振幅； wi控制频率； θi控制相位差； εi控制偏置量， 通过改变耦合参数及耦合系数 权重在Simul ink中调整仿生机器鱼姿态。 4.所述步骤5 中对于反馈信 息输入变量的CPG模型采用龙格库塔法进行处理， 进而获得 不同时刻下机器鱼 关节舵机的输出位置值。 5.根据权利要求2所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述步骤4.1中通过建立3个 关节振荡器之间的相位耦合关系来 实现， 基于3个 关节振荡 器构建仿生机器鱼的CPG模 型， 每一个CPG关节振荡器用于控制一个 关节驱动舵机的运动角 度； 通过多个CPG关节振 荡器链式耦合的形式构建出仿生机器 鱼的CPG模 型， 相邻两个CPG关 节振荡器的后一个CPG关节振 荡器只受前一个CPG关节振 荡器状态的影响； 其中， CPG模 型的 首个CPG关节振荡器即CPG1关节振荡器用以调节各关节振荡器间的相位差， 仅与其后第二 个CPG2关节振荡器链接 。 6.根据权利要求5所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述CPG关节振荡器的关节驱动舵机之间为链式耦合关系， 并且采用最近相 邻耦合关系 策略。 7.根据权利要求2所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述步骤4.3中各映射函数的控制信号的生成过程是： 由关节振荡器先生成正弦信号， 然后通过映射 函数转化为控制信号 来控制对应关节的舵机 。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115107033 A 28.根据权利要求1所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述步骤6中CPG模型表示如下： 式中i＝1， 2， 3表示关节振荡器的个数， 每个关节振荡器分别 对应于仿生机器鱼鱼体各 关节的驱动舵机。 ai控制振幅， wi控制频率， θi控制相位差， εi控制偏置量。 其中增益系数β ＝ 0.5667， γ＝38.4， μ＝2 20， λ＝10， ξ ＝0.5， v＝1.2。 9.根据权利要求5所述的一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制算法， 其特征在 于， 所述采用龙格库塔法采用4阶方法提供候选解， 5阶方法对计算产生的偏差进 行抑制， 在 对非线性微分方程进行求解时， 先设定CPG模型输入参数的取值、 CPG关节振荡器中各神经 元的耦合权 重和常系数 取值， 然后每间隔一个时间h进行一次计算， 求 解的方法为： 式中： k1为时间段开始时的斜率， k2为时间段中点的斜率， 通过欧拉法采用斜率k1来决 定y在点tn+h/2的值； k3也是中点的斜率， 但是这次采用斜率k2决定y值； k4是时间段终点的 斜率， 其y值用k3决定； h为时间步长 。 10.一种基于CPG的多关节仿生鱼类运动精确控制系统， 其特征在于， 包括CPG模型建立 模块， 所述CPG模型建立模块用于对三关节机器鱼进 行动力学建模， 利用非线性关节振荡器 模型作为CPG神经元， 确定各关节相位耦合系数以及各关节耦合系数权重， 对应各个 关节的 CPG频率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115107033 A 3