仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法
【專利說明】仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法 技術(shù)背景
[0001] 中樞模式發(fā)生器（CentralPatternGenerator,簡(jiǎn)稱CPG)是生物運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的一個(gè)重要組成部分，它可W在沒有外部感官信息反饋的情況下產(chǎn)生節(jié)律輸出。為了利 用中樞模式發(fā)生器進(jìn)行仿生機(jī)器人的控制。許多研究人員進(jìn)行了仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究。運(yùn)些中樞模式發(fā)生器構(gòu)建方法概括起來可W分為=類：振蕩器CPG、生物 神經(jīng)元CPG和連接CPG。其中，振蕩器CPGW其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到仿 生機(jī)器人的控制中，然而由于現(xiàn)有的振蕩器都不同程度的存在一些缺點(diǎn)，在仿生機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方面還存在較多的困難。在運(yùn)些振蕩器中，Matsuoka所提出的由兩 個(gè)具有疲勞特性漏積分器神經(jīng)元通過相互抑制構(gòu)成的振蕩器成為仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中應(yīng)用比較廣泛的振蕩器之一。然而，此振蕩器在運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面 仍然存在較多的問題，如不能包含興奮性連接、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建比較困難等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制存在的問 題，給出一種新的神經(jīng)元振蕩器W及W其為基礎(chǔ)的新運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，W解 決現(xiàn)有仿生機(jī)器人仿生控制中遇到的困難和問題。
[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過W下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是一種仿生 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，其特點(diǎn)是：
[0004] 該方法W新型神經(jīng)元振蕩器作為基礎(chǔ)；
[0005] 所述的新型神經(jīng)元振蕩器通過建立了一個(gè)神經(jīng)元模型，然后將兩個(gè)神經(jīng)元之間通 過抑制性突觸相互連接，構(gòu)成一個(gè)振蕩器模型；所述的神經(jīng)元模型，在具有疲勞特性的漏積 分器神經(jīng)元模型基礎(chǔ)上，增加輸出飽和和自興奮性特性后，形成了一個(gè)神經(jīng)元模型；其中， 所述神經(jīng)元模型的輸出，采用非線性函數(shù)表示，且該非線性函數(shù)滿足當(dāng)0時(shí)，輸出具有 飽和特性，當(dāng)x< 0時(shí)，神經(jīng)元沒有輸出；
[0006] 所述的運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，是利用新型神經(jīng)元振蕩器作為機(jī)器人關(guān)節(jié) 的運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)神經(jīng)元的輸出作為機(jī)器人關(guān)節(jié)的曲肌控制信號(hào)，另一個(gè)神 經(jīng)元的輸出作為關(guān)節(jié)的伸肌控制信號(hào)，然后，根據(jù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和實(shí)際仿 生生物神經(jīng)控制環(huán)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用抑制和興奮性連接關(guān)系建立機(jī)器人關(guān)節(jié)振蕩器 之間的連接關(guān)系。
[0007] 本發(fā)明所述的一種仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案如下：
[0008] 所述的神經(jīng)元模型是采用W下兩個(gè)微分方程組中的一個(gè)：
[0011] 式中，X為神經(jīng)元的膜電勢(shì)；y為神經(jīng)元的輸出；s為神經(jīng)元收到的所有外部輸入； a為神經(jīng)元收到的自我興奮性反饋的連接權(quán)重，a>0 ;X跟神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)， T> 0 ; 丫跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，丫 > 0 ;x'為反應(yīng)神經(jīng)元疲勞程度的變量； b為神經(jīng)元的疲勞強(qiáng)度，b> 0;0為神經(jīng)元的輸出闊值，交為神經(jīng)元輸出的上界，且勞當(dāng)沒;： e和0為常系數(shù)，e> 0和0 > 0 ; ^是神經(jīng)元輸出的飽和系數(shù)。
[0012] 本發(fā)明所述的一種仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案如下：兩個(gè)神經(jīng)元之間相互抑制，每個(gè)神經(jīng)元具有一個(gè)自我興奮性連接；具體模型如 下：
[0015] 式中，為第i神經(jīng)元的膜電勢(shì)；y1為第i神經(jīng)元的輸出；S1為第i神經(jīng)元所收到 CPG外部的輸入；aii(jG{1，2}，j聲U為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，au< 0 ;曰11為第i神經(jīng) 元收到的自我興奮性反饋的連接權(quán)重；T1跟第i神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，I1> 0 ; 丫 1跟第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，丫1> 0 ;x' 1為反應(yīng)第i神經(jīng)元疲勞程度的 變量屯為第i神經(jīng)元的疲勞強(qiáng)度，b1> 0 ; 0 1為第i神經(jīng)元的輸出闊值，武為第i神經(jīng)元 輸出的上界，且兩'3^;El和0 1為常系數(shù)，e1>〇和0i>〇;A1是第i神經(jīng)元輸出的飽 和系數(shù)；
[0016] 所述振蕩器平衡狀態(tài)若滿足巧<嫂<焉，0=1巧時(shí)，振蕩器既能產(chǎn)生振蕩輸出或非 振蕩輸出，此時(shí)的外部輸入Si，（i= 1，2)的取值范圍為：
[0017]
[0018] 振蕩器產(chǎn)生振蕩輸出時(shí)，其參數(shù)應(yīng)滿足的條件為：
[0021] 振蕩器產(chǎn)生非振蕩輸出時(shí)，其參數(shù)應(yīng)滿足的條件為：
[0028] (3) 0 1，（i= 1，2)
[0029] 根據(jù)上述振蕩器振蕩輸出和非振蕩輸出的條件，振蕩器的振蕩輸出和非振蕩輸出 可W通過調(diào)節(jié)自興奮系數(shù)和疲勞系數(shù)bd來進(jìn)行切換；
[0030] 所述振蕩器當(dāng)輸入滿足Si<e1 0 1，（i= 1，2)時(shí)，振蕩器的輸出是不激活的，當(dāng)
時(shí)，振蕩器的輸出是飽和的；
[0031] 其中，所述振蕩器的振蕩頻率和響應(yīng)速度，通過跟神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù) Ti，i= 1，2和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)丫i，i= 1，2進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0032] 其中，所述振蕩器的飽和輸出和不激活W及振蕩器節(jié)律輸出和非節(jié)律輸出的大 小，可W通過振蕩器的外部輸入Si，i= 1，2進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0033] 本發(fā)明所述的一種仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案如下：
[0034] 由振蕩器相互連接構(gòu)成的仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型如下：
[0037] 式中，n為神經(jīng)元數(shù)量；Xi為第i神經(jīng)元的膜電勢(shì)；yi為第i神經(jīng)元的輸出；Si為第 i神經(jīng)元所收到CPG外部的輸入；ay(jG{1，…，n}，j聲i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，曰^ > 0表示興奮性連接，ai，< 0表示抑制性連接；a11為第i神經(jīng)元收到的自我興奮性反饋的 連接權(quán)重；T1跟第i神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，I1> 0 ; 丫 1跟第i神經(jīng)元疲勞過程相 關(guān)的時(shí)間常數(shù)，丫 1> 0 ;x' 1為反應(yīng)第i神經(jīng)元疲勞程度的變量；b1為第i神經(jīng)元的疲勞 強(qiáng)度，bi>0;目1為第i神經(jīng)元的輸出闊值，焉為第i神經(jīng)元輸出的上界，且馬&玲;;和 0 1為常系數(shù)，e1> 0和0 1> 0 ;A1是第i神經(jīng)元輸出的飽和系數(shù)；
[0038] 所述仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中存在一部分神經(jīng)元的平衡狀態(tài)讀滿足 讀《焉:，即馬 <詩 < 焉本泌^ 一部分神經(jīng)?？蒞產(chǎn)生振蕩輸出和非振 蕩輸出，與平衡狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的外部輸入Si，iGAs的取值范圍為：
[0039]
[0041] 運(yùn)一部分神經(jīng)元，即iGAs的神經(jīng)元產(chǎn)生振蕩輸出需要滿足的條件如下：
[0044] 運(yùn)一部分神經(jīng)元，即iGAs的神經(jīng)元產(chǎn)生非振蕩輸出需要滿足的條件如下：
[0045]

[0051] 做o1，（iG八3)
[0052] 根據(jù)上述振蕩輸出和非振蕩輸出的條件，運(yùn)一部分神經(jīng)元，即iGAs的神經(jīng)元的 振蕩輸出和非振蕩輸出之間的切換可W通過改變自興奮系數(shù)曰11和疲勞系數(shù)bi實(shí)現(xiàn)，且運(yùn) 部分神經(jīng)元輸出隨外部輸入Si，iGAs的變化而變化；
[0053] 運(yùn)一部分神經(jīng)元，即iGAs的神經(jīng)元的振蕩頻率和響應(yīng)速度可W通過跟運(yùn)部 分神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)Ti，iGAs和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)丫 1， iGAs進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0054] 所述仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中一部分神經(jīng)元的平衡狀態(tài)滿足 :冷終巧時(shí)，運(yùn)一部分神經(jīng)元可W用集合Aj- |ljf必壞，托也…，n藻表示，且它們是不激活的，其 外部輸入Si，iGAi的取值范圍為：
[00 巧]
[0056] 所述仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其中一部分神經(jīng)元的平衡狀態(tài)婷滿足 讀 >蜀時(shí)，運(yùn)一部分神經(jīng)元可W用集合沒|1捧>%估象''.，4萊示，且它們是飽和的，其外 部輸入Si，iGAz的取值范圍為：
[0057]
[005引上述結(jié)論的推導(dǎo)過程如下：
[0059] 為了表述方便，假設(shè)

其中，...，:為運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1)的平衡 狀態(tài)。
[0060] 令馬-0和省==〇>可^計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1)的平衡狀態(tài)
[0064]當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1)的平衡狀態(tài)
且哦>&時(shí)，外部輸入di，（iG{1，…，n})的范圍可W通過下面的方式進(jìn)行計(jì)算。
[0068] w '
..i
[0070] 由于矩陣跡與矩陣特征根的和相等。從矩陣A可w看出，當(dāng)A3聲4時(shí)，線性化 系統(tǒng)（5)存在正實(shí)部特征根的充分條件為：