四肢之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān) 系，建立振蕩器之間的連接關(guān)系，如圖19所示。
[0176]圖19蝶順機(jī)器人身體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從上到下可W被分為8個(gè)關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)1到關(guān)節(jié)8)， 每個(gè)關(guān)節(jié)為一個(gè)振蕩器，每個(gè)振蕩器的左右兩個(gè)神經(jīng)元分別控制機(jī)器人向左和向右運(yùn)動(dòng)。 四肢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由4關(guān)節(jié)構(gòu)成，每個(gè)關(guān)節(jié)為一個(gè)振蕩器，每個(gè)振蕩器的前后兩個(gè)神經(jīng)元分 別控制機(jī)器人的腿向前和向后擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)蝶順身體和四肢的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立關(guān)節(jié)振蕩 器之間的連接關(guān)系，黑圈表示抑制性連接，白圈表示興奮性連接。
[0177] 與屯觸媛仿生機(jī)器人一樣，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)振蕩輸出時(shí)，選取機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)振蕩 器的參數(shù)：r: : 化3AIJA二()'8Q":::V:4 巧=~45 -0.3 化=-0.巧（/ 二!,2..;。 另外，圖19神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，除了關(guān)節(jié)振蕩器內(nèi)神經(jīng)元之間的抑制連接權(quán)重外，其余所有興 奮性鏈接權(quán)重全取0. 1，其余所有抑制性連接權(quán)重全取0. 2。若神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平衡狀態(tài) 0, <X," '..巧，(,;:::!又….24),根據(jù)實(shí)施例4中式做，可W得到外部輸入Si，（i= 1，…，16) 的取值范圍為：-1<Si< 14. 35.
[017引屯觸媛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要分為水中游動(dòng)和陸地上爬行兩類。運(yùn)兩類運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)如 下：
[017引1)水中游動(dòng)：當(dāng)機(jī)器人水中游動(dòng)時(shí)，四肢緊緊靠著身體，并相對(duì)身體保持靜止。身 體擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)行波，推動(dòng)蝶順向前游動(dòng)，與屯觸媛類似。
[0180] 2)陸地上爬行：當(dāng)機(jī)器人在陸地上爬行時(shí)，對(duì)角線上腿的運(yùn)動(dòng)同相位，不同對(duì)角 線上腿的運(yùn)動(dòng)則正好相位相反，即左前腿與右后腿同相位，右前腿與左后腿同相位，左前腿 與右后腿的相位和右前腿與左后腿的相位則正好相反。身體也進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為一個(gè)駐波。
[0181] 根據(jù)圖19建立蝶順仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Simulink仿真程序，對(duì)蝶順 機(jī)器人水中游動(dòng)和陸地上爬行時(shí)的運(yùn)動(dòng)輸出進(jìn)行了仿真如圖20-27所示。
[0182] 通過分析上述仿真結(jié)果可W看出，圖20-27神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出是與蝶順?biāo)杏蝿?dòng)和 陸地上爬行的特征完全一致的。另外，還可W看出，機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可W飽和和關(guān)閉，而且 可W通過調(diào)整跟神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)T和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)丫 來對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 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，其特征在于： 該方法以新型神經(jīng)元振蕩器作為基礎(chǔ)； 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)X多θ時(shí)，輸出具有飽和 特性，當(dāng)X < θ時(shí)，神經(jīng)元沒有輸出； 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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1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，其特征在 于： 所述的神經(jīng)元模型是采用以下兩個(gè)微分方程組中的一個(gè)：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;T跟神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，τ >〇;γ跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，γ >〇;?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>o;0為神經(jīng)元的輸出閾值，為神經(jīng)元輸出的上界，且ε 和σ為常系數(shù)，ε >〇和σ >〇;λ是神經(jīng)元輸出的飽和系數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2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，其特征 在于：兩個(gè)神經(jīng)元之間相互抑制，每個(gè)神經(jīng)元具有個(gè)自我興奮性連接；具體模型如下：式中，Xi為第i神經(jīng)元的膜電勢(shì)；y i為第i神經(jīng)元的輸出；S i為第i神經(jīng)元所收到CPG 外部的輸入；aijj e {1，2}，j乒i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，a^C O ^ii為第i神經(jīng)元收 到的自我興奮性反饋的連接權(quán)重；τ i跟第i神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，τ 〇 ; γ $艮 第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，γ O 反應(yīng)第i神經(jīng)元疲勞程度的變量；b i 為第i神經(jīng)元的疲勞強(qiáng)度，O ; Θ i為第i神經(jīng)元的輸出閾值，筆為第i神經(jīng)元輸出的上 界，且先4 ; ε種σ i為常系數(shù)，ε P 〇和σ P 〇 ; λ i是第i神經(jīng)元輸出的飽和系數(shù)； 所述振蕩器平衡狀態(tài)<滿足竭時(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S1, (i = 1，2)的取值范圍為：振蕩器產(chǎn)生振蕩輸出時(shí)，其參數(shù)應(yīng)滿足的條件為：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：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以 通過調(diào)節(jié)自興奮系數(shù)B11和疲勞系數(shù)b i來進(jìn)行切換； 所述振蕩器當(dāng)輸入滿足81< ε J1, α = 1，2)時(shí)，振蕩器的輸出是不激活的，當(dāng)，振蕩器的輸出是飽和的； 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)T1, i =1，2和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)γ i，i = 1，2進(jìn)行調(diào)節(jié)； 其中，所述振蕩器的飽和輸出和不激活以及振蕩器節(jié)律輸出和非節(jié)律輸出的大小，可 以通過振蕩器的外部輸入Sl，i = 1，2進(jìn)行調(diào)節(jié)。4.根據(jù)權(quán)利要求1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，其特征在 于： 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：式中，η為神經(jīng)元數(shù)量為第i神經(jīng)元的膜電勢(shì)為第i神經(jīng)元的輸出為第i神 經(jīng)元所收到CPG外部的輸入；ai_j(j e {1，…，n}，j辛i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，au> O表示興奮性連接，aij< O表示抑制性連接；a η為第i神經(jīng)元收到的自我興奮性反饋的連 接權(quán)重；τ i跟第i神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，τ P 〇 ; γ i跟第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān) 的時(shí)間常數(shù)，γ 〇 ;X' 反應(yīng)第i神經(jīng)元疲勞程度的變量；b i為第i神經(jīng)元的疲勞強(qiáng) 度，O ; Θ i為第i神經(jīng)元的輸出閾值，焉為第i神經(jīng)元輸出的上界，且焉&肩；ε Jp σ i 為常系數(shù)，ε 〇和σ 〇 ; λ i是第i神經(jīng)元輸出的飽和系數(shù)； 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)4滿足，這一部分神經(jīng)元可以產(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S1, i e A3的取值范圍為：這一部分神經(jīng)元，即i e人3的神經(jīng)元產(chǎn)生振蕩輸出需要滿足的條件如下：這一部分神經(jīng)元，即i e A3的神經(jīng)元產(chǎn)生非振蕩輸出需要滿足的條件如下：根據(jù)上述振蕩輸出和非振蕩輸出的條件，這一部分神經(jīng)兀，即i e人3的神經(jīng)兀的振蕩 輸出和非振蕩輸出之間的切換可以通過改變自興奮系數(shù)A1和疲勞系數(shù)Id1實(shí)現(xiàn)，且這部分 神經(jīng)元輸出隨外部輸入 Sl，i e人3的變化而變化； 這一部分神經(jīng)元，即i e A3的神經(jīng)元的振蕩頻率和相應(yīng)速度可以通過跟這部分神經(jīng) 元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)h，i e Λ#Ρ跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)γ e八3進(jìn) 行調(diào)節(jié)； 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)4滿足s.f <0時(shí)， 這一部分神經(jīng)元可以用集合表示，且它們是不激活的，其外部輸入 Sl，i e A1的取值范圍為：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)4滿足嫦>馬時(shí)， 這一部分神經(jīng)元可以用集合表示，且它們是飽和的，其外部輸入Sl， i e A2的取值范圍為：
【專利摘要】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，該方法以新型神經(jīng)元振蕩器作為基礎(chǔ)；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；該方法利用新型神經(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。此仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法構(gòu)建過程更加簡(jiǎn)單，生物學(xué)特性更好，魯棒性更強(qiáng)，運(yùn)算量小，便于工程應(yīng)用。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號(hào)】CN105182754
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510632804
【發(fā)明人】劉強(qiáng), 張大為, 張金學(xué)
【申請(qǐng)人】淮海工學(xué)院
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年9月29日