本發(fā)明屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種分層的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法。

背景技術(shù)：

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，它可以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。這些中樞模式發(fā)生器構(gòu)建方法概括起來可以分為三類：振蕩器cpg、生物神經(jīng)元cpg和連接cpg。其中，振蕩器cpg以其結(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。在這些振蕩器中，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[一種新型神經(jīng)元振蕩器-201510507029.3和仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法-201510632804.8]提出了一個(gè)新的仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，但是此方法針對(duì)某種(或某類)步態(tài)控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有較好的效果，在實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)步態(tài)，如各種節(jié)律運(yùn)動(dòng)步態(tài)、非節(jié)律運(yùn)動(dòng)步態(tài)的仿生機(jī)器人整體控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方面還非常困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，該方法能夠使得仿生機(jī)器人產(chǎn)生更加豐富、靈活和符合動(dòng)物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是一種仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其特點(diǎn)是，其步驟如下：

(1)根據(jù)速度和運(yùn)動(dòng)步態(tài)特點(diǎn)，將仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行分組或分類；

(2)根據(jù)某一組或一類運(yùn)動(dòng)步態(tài)，構(gòu)建仿生機(jī)器人某一層運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)；

(3)將各層運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)組合到一起，構(gòu)成整個(gè)的仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)；利用上層神經(jīng)中樞產(chǎn)生控制信號(hào)，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)部分激活、失活與飽和，以產(chǎn)生仿生機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

本發(fā)明所述的仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案是，步驟(2)中，構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層被分為節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層。

本發(fā)明所述的仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案是，節(jié)律運(yùn)動(dòng)和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層由產(chǎn)生某種運(yùn)動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成。

本發(fā)明所述的仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案是，步驟(3)中，根據(jù)需要建立運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)之間的突觸連接關(guān)系。

本發(fā)明所述的仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案是，步驟(3)中，所述的中樞為腦干。

本發(fā)明所述的仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案是，對(duì)每一層的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法如下：

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≥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。

基于上述仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)建方法，既可以構(gòu)建節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層也可以構(gòu)建非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層，不同之處在于所選取運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)是不同的。

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；τ跟神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，τ＞0；γ跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，γ＞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；θ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＞0和σ＞0；λ是神經(jīng)元輸出的飽和系數(shù)。

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：

式中，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)元所收到的外部輸入；aij(j∈{1，2}，j≠i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，aij＜0；aii為第i神經(jīng)元收到的自我興奮性反饋的連接權(quán)重；τi跟第i神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，τi＞0；γi跟第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，γi＞0；x′i為反應(yīng)第i神經(jīng)元疲勞程度的變量；bi為第i神經(jīng)元的疲勞強(qiáng)度，bi＞0；θi為第i神經(jīng)元的輸出閾值，為第i神經(jīng)元輸出的上界，且εi和σi為常系數(shù)，εi＞0和σi＞0；λi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：

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：

(1)

(2)

(3)

或

(1)

(2)

(3)σi≥1，(i＝1，2)

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)aii和疲勞系數(shù)bi來進(jìn)行切換；

所述振蕩器當(dāng)輸入滿足si＜εiθi，(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；

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)τi，i＝1，2和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)γi，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si，i＝1，2進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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，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)元所收到的外部輸入；aij(j∈{1，…，n}，j≠i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，aij＞0表示興奮性連接，aij＜0表示抑制性連接；aii為第i神經(jīng)元收到的自我興奮性反饋的連接權(quán)重；τi跟第i神經(jīng)元膜電勢(shì)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，τi＞0；γi跟第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)，γi＞0；x′i為反應(yīng)第i神經(jīng)元疲勞程度的變量；bi為第i神經(jīng)元的疲勞強(qiáng)度，bi＞0；θi為第i神經(jīng)元的輸出閾值，為第i神經(jīng)元輸出的上界，且εi和σi為常系數(shù)，εi＞0和σi＞0；λi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)滿足即時(shí)，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si，i∈λ3的取值范圍為：

其中，ωi＝{j|aij＞0，j∈λ3，j≠i}；

這一部分神經(jīng)元，即i∈λ3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∈λ3的神經(jīng)元產(chǎn)生非振蕩輸出需要滿足的條件如下：

(1)

(2)

(3)

或

(1)

(2)

(3)σi≥1，(i∈λ3)

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)元，即i∈λ3的神經(jīng)元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)aii和疲勞系數(shù)bi實(shí)現(xiàn)，且這部分神經(jīng)元輸出隨外部輸入si，i∈λ3的變化而變化；

這一部分神經(jīng)元，即i∈λ3的神經(jīng)元的振蕩頻率和響應(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)τi，i∈λ3和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時(shí)間常數(shù)γi，i∈λ3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)滿足時(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si，i∈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)滿足時(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si，i∈λ2的取值范圍為：

上述結(jié)論的推導(dǎo)過程如下：

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)。

令和可以計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的平衡狀態(tài)為：

當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的平衡狀態(tài)且時(shí)，外部輸入si，(i∈{1，…，n})的范圍可以通過下面的方式進(jìn)行計(jì)算。

其中，ωi＝{j|aij＞0，j∈λ3，j≠i}；

將運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)在平衡狀態(tài)線性化.為了表示方便，不失一般性，令λ1＝{1，…，l}、λ2＝{l+1，…，m}、λ3＝{m+1，…，n}，可以得到線性化的系統(tǒng)為：

其中，

由于矩陣跡與矩陣特征根的和相等。從矩陣a可以看出，當(dāng)λ3≠φ時(shí)，線性化系統(tǒng)(5)存在正實(shí)部特征根的充分條件為：

根據(jù)李雅譜諾夫定理可知，當(dāng)式(6)滿足時(shí)對(duì)于任意初始狀態(tài)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的平衡狀態(tài)都是不穩(wěn)定的，對(duì)應(yīng)的輸入為式(2)-(4)。

由于運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的解是唯一存在且有界的，由此可以得到當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)滿足式(6)，運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)存在振蕩輸出。

根據(jù)gerschgorincircletheorem，對(duì)線性化的模型(5)進(jìn)行分析很容易得到，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的參數(shù)滿足

(1)

(2)

(3)

或

(1)

(2)

(3)σi≥1，(i∈λ3)

時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的線性化系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的。

根據(jù)李雅譜諾夫第一定理，對(duì)于任意初始狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)在平衡狀態(tài)和是漸進(jìn)穩(wěn)定的，即運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(1)的輸出是非振蕩的，，對(duì)應(yīng)的輸入為式(2)-(4)。

本發(fā)明提出了一個(gè)先分層構(gòu)建仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)，然后將其組合構(gòu)建整個(gè)仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的方法，解決仿生機(jī)器人整體控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的難題。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明所提出的仿生機(jī)器人分層運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法能夠使得仿生機(jī)器人產(chǎn)生更加豐富、靈活和符合動(dòng)物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，尤其是既可以產(chǎn)生節(jié)律運(yùn)動(dòng)也可以產(chǎn)生非節(jié)律運(yùn)動(dòng)。

附圖說明

圖1是蠑螈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是蠑螈機(jī)器人低頻行走控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，高頻游泳控制網(wǎng)絡(luò)與低頻行走控制網(wǎng)絡(luò)的身體控制網(wǎng)絡(luò)部分相同，細(xì)圓為伸肌神經(jīng)元，粗圓為屈肌神經(jīng)元；

圖3蠑螈機(jī)器人向前和向后行走及其切換的步態(tài)仿真結(jié)果圖(a)除過渡振蕩器外，其余所有身體振蕩器輸出曲線圖(b)蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型一個(gè)向前行走周期的運(yùn)動(dòng)仿真圖(c)除膝振蕩器外，所有肢體振蕩器的輸出曲線圖(d)蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型一個(gè)向后行走周期的運(yùn)動(dòng)仿真圖；

圖4蠑螈機(jī)器人向前行走和游泳及其切換的步態(tài)仿真結(jié)果圖(a)除過渡振蕩器外，其余所有身體振蕩器輸出曲線圖(b)蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型一個(gè)向前行走周期的運(yùn)動(dòng)仿真圖(c)除膝振蕩器外，所有向前走網(wǎng)絡(luò)肢體振蕩器的輸出曲線圖(d)蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型一個(gè)游泳周期的運(yùn)動(dòng)仿真圖；

圖5隨著身體網(wǎng)絡(luò)左右非對(duì)稱輸入逐漸增加時(shí)，蠑螈機(jī)器人游泳轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的仿真圖(a)輸入到頸部和軀干部身體網(wǎng)絡(luò)的非對(duì)稱外部輸入信號(hào)曲線圖(b)除過渡振蕩器外，其余所有身體振蕩器輸出曲線圖(c)蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型游泳轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的仿真圖；

圖6蠑螈機(jī)器人向前行走轉(zhuǎn)彎步態(tài)的仿真圖(a)和(b)輸入到身體網(wǎng)絡(luò)和右前肢擺動(dòng)振蕩器的非對(duì)稱外部輸入信號(hào)曲線圖(c)當(dāng)非對(duì)稱輸入信號(hào)被輸入到身體網(wǎng)絡(luò)和右前肢擺動(dòng)振蕩器時(shí)，除過渡振蕩器外，其余所有身體振蕩器輸出曲線圖(d)當(dāng)非對(duì)稱輸入信號(hào)被輸入到身體網(wǎng)絡(luò)和右前肢擺動(dòng)振蕩器時(shí)，除膝振蕩器外，其余所有向前走網(wǎng)絡(luò)肢體振蕩器輸出曲線圖(e)當(dāng)非對(duì)稱輸入信號(hào)僅被輸入到右前肢擺動(dòng)振蕩器時(shí)，蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型向前行走轉(zhuǎn)彎仿真圖(f)當(dāng)非對(duì)稱輸入信號(hào)僅被輸入到身體網(wǎng)絡(luò)時(shí)，蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型向前行走轉(zhuǎn)彎仿真圖(g)當(dāng)非對(duì)稱輸入信號(hào)僅被輸入到身體網(wǎng)絡(luò)和右前肢擺動(dòng)振蕩器時(shí)，蠑螈機(jī)器人實(shí)體模型向前行走轉(zhuǎn)彎仿真圖；

圖7是蠑螈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是蠑螈機(jī)器人節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，高頻控制網(wǎng)絡(luò)與低頻控制網(wǎng)絡(luò)的身體控制網(wǎng)絡(luò)部分相同，細(xì)圓為伸肌神經(jīng)元，粗圓為屈肌神經(jīng)元；

圖9是蠑螈機(jī)器人非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，細(xì)圓為伸肌神經(jīng)元，粗圓為屈肌神經(jīng)元。

圖10是節(jié)律和非節(jié)律網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制示意圖；

圖11是蠑螈機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果圖；

圖12是蠑螈機(jī)器人行走和游泳以及步態(tài)切換的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例1，一種仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其步驟如下：

1)根據(jù)速度和運(yùn)動(dòng)步態(tài)特點(diǎn)等，將仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行分組或分類；

2)根據(jù)某一組(或一類)運(yùn)動(dòng)步態(tài)，構(gòu)建仿生機(jī)器人某一層運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)；這些運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層可以被分為節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層；節(jié)律運(yùn)動(dòng)和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層又可以由產(chǎn)生某種運(yùn)動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；

3)將各層網(wǎng)絡(luò)組合到一起，如有必要適當(dāng)建立它們之間的突觸連接關(guān)系，構(gòu)成整個(gè)的仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)；利用上層神經(jīng)中樞(如腦干)產(chǎn)生控制信號(hào)，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)部分激活、失活與飽和，以產(chǎn)生仿生機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

實(shí)施例2、仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法實(shí)驗(yàn)：

仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層方法對(duì)于不同的仿生機(jī)器人其分層方法也是不一樣的。下面針對(duì)不同的動(dòng)物仿生機(jī)器人的舉例說明運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層過程：

(1)輻鰭魚仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建

研究表明輻鰭魚在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)主要采用胸鰭等進(jìn)行節(jié)律推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，隨著胸鰭拍動(dòng)頻率的增加，輻鰭魚的游動(dòng)速度也逐漸增加；當(dāng)輻鰭魚游動(dòng)速度增加到一定程度后，胸鰭靠著身體保持靜止，輻鰭魚主要采用身體和尾鰭節(jié)律擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行高速游泳運(yùn)動(dòng)；在靜止和起動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)輻鰭魚進(jìn)行姿態(tài)保持和調(diào)整以及起動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)還存在較多的非節(jié)律運(yùn)動(dòng)。因此，可以將輻鰭魚仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)分為低速和高速節(jié)律游泳運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層以及非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層，從而構(gòu)成整個(gè)仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

(2)蠑螈仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建

研究表明，蠑螈在陸地上運(yùn)動(dòng)時(shí)主要通過身體和四肢的相互協(xié)調(diào)進(jìn)行低速行走運(yùn)動(dòng)；當(dāng)蠑螈從陸地到水中后，四肢向后靠著身體保持靜止，通過身體的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)；蠑螈的運(yùn)動(dòng)除了節(jié)律運(yùn)動(dòng)外還存在較多的非節(jié)律運(yùn)動(dòng)(如，捕食、監(jiān)視、原地轉(zhuǎn)彎等)，此外，蠑螈在陸地上節(jié)律行走的過程同時(shí)也需要保持身體具有一定的剛度，以抵抗重力的作用。因此，蠑螈的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)可以分為低速行走節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層、高速游泳節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層，以構(gòu)成整個(gè)蠑螈仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

(3)四足動(dòng)物仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建

四足動(dòng)物，如馬、狗、貓等的運(yùn)動(dòng)步態(tài)也是隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加逐漸變化的，四足動(dòng)物的步態(tài)隨著運(yùn)動(dòng)速度從低到高可以被分為：行走、疾走、慢跑和疾馳四類。每一種步態(tài)，動(dòng)物四個(gè)肢體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)相位是不同的，需要構(gòu)造不同結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，并將它們分別作為四足動(dòng)物仿生機(jī)器人的節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)層?？紤]到四足動(dòng)物的非節(jié)律運(yùn)動(dòng)以及抵抗重力的作用，建立仿生機(jī)器人的非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層。將所有運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層組合的到一起，從而構(gòu)成整個(gè)仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

2、蠑螈仿生機(jī)器人節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建

蠑螈作為生物從水中進(jìn)化到陸地的一個(gè)代表性物種，有關(guān)其仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建在各類仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中是具有重要代表性的。因此，下面以蠑螈仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建來說明本發(fā)明關(guān)于仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建過程。

據(jù)蠑螈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，構(gòu)建了一個(gè)具有兩個(gè)相互抑制神經(jīng)元的控制網(wǎng)絡(luò)，作為關(guān)節(jié)控制的振蕩器，其中一個(gè)神經(jīng)元的輸出作為伸肌控制信號(hào)，另一個(gè)神經(jīng)元的輸出作為屈肌控制信號(hào)?？紤]到蠑螈在從陸上行走轉(zhuǎn)換為水中游泳后身體的擺動(dòng)速度會(huì)明顯增加的特點(diǎn)，將蠑螈機(jī)器人的節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)分為了高頻的游泳控制網(wǎng)絡(luò)和低頻陸上行走控制網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行蠑螈機(jī)器人的游泳和行走控制。其中，低頻控制網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，高頻控制網(wǎng)絡(luò)與低頻控制網(wǎng)絡(luò)的身體控制網(wǎng)絡(luò)部分相同。

(1)低頻行走控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

從圖2可以看出，蠑螈機(jī)器人的低頻控制網(wǎng)絡(luò)可以被分為身體控制網(wǎng)絡(luò)和四肢控制網(wǎng)絡(luò)兩部分。蠑螈機(jī)器人的身體控制網(wǎng)絡(luò)包括十一個(gè)振蕩器，其中每個(gè)身體關(guān)節(jié)由一個(gè)振蕩器控制。此外，為了協(xié)調(diào)身體控制網(wǎng)絡(luò)與四肢控制網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，在身體控制網(wǎng)絡(luò)的肩部和胯部增加了兩個(gè)過渡振蕩器。蠑螈機(jī)器人節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)采用了下行占優(yōu)的興奮性連接來建立身體振蕩器之間的連接關(guān)系，如圖2所示。蠑螈機(jī)器人四肢的控制網(wǎng)絡(luò)是相似的，每條腿有三個(gè)控制振蕩器，擺動(dòng)振蕩器控制著腿的前后擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，抬腿振蕩器控制著腿的抬起和落下，膝振蕩器控制著膝關(guān)節(jié)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。由于蠑螈向前行走的時(shí)候，其四條腿是對(duì)角線同步的，兩個(gè)前肢(或兩個(gè)后肢)之間的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)則是反相的。為了利用身體網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)前后肢的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四肢對(duì)角線同步的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，將身體肩部過渡振蕩器的屈肌神經(jīng)元通過抑制性突出被連接到了右前肢擺動(dòng)振蕩器的屈肌神經(jīng)元，通過興奮性突觸被連接到了左前肢擺動(dòng)振蕩器的屈肌神經(jīng)元。肩部過渡振蕩器的伸肌神經(jīng)元與前肢之間的連接與屈肌神經(jīng)元和前肢之間的連接是關(guān)于蠑螈的身體縱剖面對(duì)稱的。此前肢擺動(dòng)振蕩器與身體振蕩器之間的連接關(guān)系起到了使左右前肢相互反相運(yùn)動(dòng)的作用。由于向前行走時(shí)蠑螈的身體呈現(xiàn)一個(gè)駐波，因此，將前肢擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元通過興奮性突觸被連接到了與其接近的軀干振蕩器的身體同側(cè)神經(jīng)元。利用蠑螈身體呈駐波的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到蠑螈四肢運(yùn)動(dòng)的對(duì)角線同步以及左右后肢之間的反相運(yùn)動(dòng)，建立了后肢擺動(dòng)振蕩器與身體胯部過渡振蕩器之間的連接，此連接關(guān)系與前肢擺動(dòng)振蕩器和肩部過渡振蕩器之間的連接關(guān)系是相似的，僅突觸的特性進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的改變。后肢擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元?jiǎng)t通過興奮性突觸被連接到了與其接近尾部振蕩器的身體同側(cè)神經(jīng)元，屈肌神經(jīng)元?jiǎng)t通過興奮性突觸被連接到了與其接近軀干振蕩器的身體同側(cè)神經(jīng)元。由于蠑螈腿部向前擺動(dòng)的過程中，需要抬腿以減小地面摩擦力對(duì)腿部向前擺動(dòng)的影響，腿部向后擺動(dòng)的時(shí)候又需要下壓腿部以增加抓地力，因此，將四肢擺動(dòng)振蕩器屈肌神經(jīng)元的輸出通過興奮性突觸連接到了抬腿振蕩器的屈肌神經(jīng)元。

除了向前行走外，蠑螈也可以向后行走，而且其四肢的運(yùn)動(dòng)也是對(duì)角線同步的。因此，與向前行走相似，蠑螈機(jī)器人每個(gè)肢體增加了一個(gè)擺動(dòng)振蕩器和抬腿振蕩器。為了使得肢體擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元比屈肌神經(jīng)元先激活，來自于身體肩部過渡振蕩器同側(cè)神經(jīng)元興奮性突觸和來自于身體肩部過渡振蕩器對(duì)側(cè)神經(jīng)元的抑制性突觸被連接到了向后走網(wǎng)絡(luò)肩關(guān)節(jié)擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元。來自于身體胯部過渡振蕩器對(duì)側(cè)神經(jīng)元興奮性突觸和來自于身體胯部過渡振蕩器同側(cè)神經(jīng)元的抑制性突觸被連接到了向后走網(wǎng)絡(luò)胯關(guān)節(jié)擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元。此外，對(duì)于每個(gè)肢體的向后走網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)肢體的擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元被連接到了抬腿振蕩器的屈肌神經(jīng)元通過單向的興奮性突觸。在向后行走過程中，當(dāng)肢體向后擺動(dòng)的時(shí)候，也同時(shí)抬起；相反，肢體抓住地面，從而實(shí)現(xiàn)向后行走。與蠑螈腦干對(duì)脊髓控制網(wǎng)絡(luò)的控制相似，通過規(guī)劃蠑螈機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入信號(hào)便可產(chǎn)生各種節(jié)律運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

(2)高頻游泳運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)

高頻游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)，蠑螈通過身體的節(jié)律擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，向前游泳運(yùn)動(dòng)。因此，蠑螈的高頻游動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)主要包括身體控制網(wǎng)絡(luò)部分，其結(jié)構(gòu)與低頻行走運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的身體控制網(wǎng)絡(luò)部分相同。將上述低頻行走運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層和高頻游泳運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)層組合到一起便構(gòu)成了機(jī)器人的整個(gè)節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。

(3)蠑螈仿生機(jī)器人的步態(tài)產(chǎn)生和控制

利用上述運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，蠑螈仿生機(jī)器人可以產(chǎn)生向前行走、向后行走、游泳、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)及其相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)向前行走的時(shí)候，高頻游泳網(wǎng)絡(luò)和四肢的向后走網(wǎng)絡(luò)被失活，在低頻行走網(wǎng)絡(luò)的控制下，蠑螈仿生機(jī)器人就產(chǎn)生向前行走。當(dāng)四肢的向前走網(wǎng)絡(luò)失活，向后走網(wǎng)絡(luò)激活后，蠑螈機(jī)器人就產(chǎn)生向后行走。當(dāng)?shù)皖l行走網(wǎng)絡(luò)的身體部分失活，四肢的向后走網(wǎng)絡(luò)失活，向前走網(wǎng)絡(luò)的伸肌神經(jīng)元飽和而屈肌神經(jīng)元失活，從而使得蠑螈機(jī)器人四肢向后靠著身體，身體則產(chǎn)生節(jié)律擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)游泳運(yùn)動(dòng)。在游泳運(yùn)動(dòng)和行走運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)非對(duì)稱輸入被施加到蠑螈仿生機(jī)器人的身體網(wǎng)絡(luò)或四肢網(wǎng)絡(luò)時(shí)，蠑螈機(jī)器人便可以產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于蠑螈機(jī)器人的節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)所有低頻控制網(wǎng)絡(luò)的振蕩器參數(shù)都是相同的，并選取振蕩器的參數(shù)為：τi＝0.04、γi＝0.044、εi＝2、σi＝0.1、aii＝2.12、bi＝0.08、θi＝-0.2、和aii+1＝-0.05、ai+1i＝-0.03(i＝1，3，…，45)。對(duì)于振蕩器之間的連接權(quán)重，選取身體振蕩器之間的興奮性權(quán)重為0.03，身體振蕩器與四肢振蕩器之間的興奮性連接權(quán)重為0.1，身體振蕩器與四肢振蕩器之間的抑制性連接權(quán)重為-0.1，四肢振蕩器之間的興奮性連接權(quán)重為0.1。除了τi和γi外，高頻游泳控制網(wǎng)絡(luò)的振蕩器參數(shù)與低頻控制網(wǎng)絡(luò)的振蕩器參數(shù)是相同的。對(duì)于高頻控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置τi＝0.02和γi＝0.022。

根據(jù)設(shè)計(jì)步驟(2)，蠑螈機(jī)器人節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)的激活、失活和飽和輸出是可以通過改變控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于游泳、向前行走和向后行走的節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)僅僅神經(jīng)元i處于失活或飽和輸出，而其它神經(jīng)元都處于節(jié)律輸出時(shí)，神經(jīng)元i失活的外部輸入si的上界和飽和的外部輸入si的下界如表1、2和3所示。

基于上述運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)步態(tài)的產(chǎn)生方法，選取向前行走、向后行走和游泳運(yùn)動(dòng)步態(tài)時(shí)蠑螈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入如表4和5所示。轉(zhuǎn)彎步態(tài)運(yùn)動(dòng)的外部輸入則是在對(duì)應(yīng)向前行走和游泳步態(tài)外部輸入的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的偏移量。在上述參數(shù)和外部輸入作用下，蠑螈機(jī)器人向前行走、向后行走、游泳、轉(zhuǎn)彎及其相互轉(zhuǎn)換的仿真結(jié)果如圖3-6。

表1對(duì)于向前行走節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元i失活的外部輸入si上界和飽和的外部輸入si下界

表2對(duì)于向后行走節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元i失活的外部輸入si上界和飽和的外部輸入si下界

表3對(duì)于游泳節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元i失活的外部輸入si上界和飽和的外部輸入si下界

表4向前走和向后走步態(tài)時(shí)的外部輸入

表5向前走和游泳步態(tài)時(shí)的外部輸入

從圖3-6可以看出，蠑螈機(jī)器人能夠產(chǎn)生向前行走、向后行走、游泳、轉(zhuǎn)彎及其相互轉(zhuǎn)換等運(yùn)動(dòng)步態(tài)，它們是與實(shí)際蠑螈的運(yùn)動(dòng)步態(tài)一致的。

3、包含非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的蠑螈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

對(duì)于上述實(shí)施實(shí)例2，為了使上述蠑螈仿生機(jī)器人在行走的過程中保持站立且身體具有一定的剛度，使其身體和肢體肌肉具有一定剛度，從而使得蠑螈仿生機(jī)器人在上述節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的控制下能夠進(jìn)行節(jié)律行走運(yùn)動(dòng)。但是，由于蠑螈機(jī)器人身體和肢體肌肉的固有剛度并不是可控制的，因此，蠑螈機(jī)器人只能保持站立，而不能使蠑螈機(jī)器人產(chǎn)生四肢彎曲趴下的步態(tài)。

為了適應(yīng)各種環(huán)境，蠑螈的運(yùn)動(dòng)是非常靈活、多變的，可以被分為節(jié)律運(yùn)動(dòng)和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)。蠑螈由趴在地面到起立行走的過程便是由節(jié)律和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)組合而成的。蠑螈站立起來的過程一般被看作是非節(jié)律運(yùn)動(dòng)，此時(shí)蠑螈神經(jīng)控制系統(tǒng)的主要作用是抵抗重力作用，使蠑螈站立起來.蠑螈站立起來后行走的過程一般被認(rèn)為是節(jié)律運(yùn)動(dòng)，然而此時(shí)神經(jīng)控制系統(tǒng)的作用則比較復(fù)雜，它除了要產(chǎn)生節(jié)律控制信號(hào)來控制蠑螈行走外，同時(shí)還要抵抗重力保持蠑螈呈站立的姿勢(shì)。此時(shí)，如果僅用能單純產(chǎn)生節(jié)律運(yùn)動(dòng)的控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來控制蠑螈的行走運(yùn)動(dòng)是非常困難的。為了解決這一問題，本發(fā)明將蠑螈機(jī)器人的仿脊髓控制網(wǎng)絡(luò)控制分為節(jié)律和非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)兩部分。根據(jù)蠑螈隨運(yùn)動(dòng)速度變化而運(yùn)動(dòng)步態(tài)不同的特點(diǎn)，蠑螈機(jī)器人節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)又被分為了低頻行走控制網(wǎng)絡(luò)層和高頻游泳控制網(wǎng)絡(luò)層，然后將各層網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。在上層神經(jīng)中樞信號(hào)的控制下，蠑螈機(jī)器人利用這一運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)。每層網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計(jì)過程如下：

(1)節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)蠑螈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，構(gòu)建了一個(gè)具有兩個(gè)相互抑制神經(jīng)元的控制網(wǎng)絡(luò)，作為關(guān)節(jié)控制的振蕩器，其中一個(gè)神經(jīng)元的輸出作為伸肌控制信號(hào)，另一個(gè)神經(jīng)元的輸出作為屈肌控制信號(hào)。考慮到蠑螈在從陸上行走轉(zhuǎn)換為水中游泳后身體的擺動(dòng)速度會(huì)明顯增加的特點(diǎn)，將蠑螈機(jī)器人的節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)分為了高頻的游泳控制網(wǎng)絡(luò)和低頻陸上行走控制網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行蠑螈機(jī)器人的游泳和行走控制。其中，低頻控制網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，高頻控制網(wǎng)絡(luò)與低頻控制網(wǎng)絡(luò)的身體控制網(wǎng)絡(luò)部分相同。

從圖8可以看出，蠑螈機(jī)器人的低頻控制網(wǎng)絡(luò)可以被分為身體控制網(wǎng)絡(luò)和四肢控制網(wǎng)絡(luò)兩部分。蠑螈機(jī)器人的身體控制網(wǎng)絡(luò)包括十一個(gè)振蕩器，其中每個(gè)身體關(guān)節(jié)由一個(gè)振蕩器控制。此外，為了協(xié)調(diào)身體控制網(wǎng)絡(luò)與四肢控制網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，在身體控制網(wǎng)絡(luò)的肩部和胯部增加了兩個(gè)過渡振蕩器。蠑螈機(jī)器人節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)采用了下行占優(yōu)的興奮性連接來建立身體振蕩器之間的連接關(guān)系，如圖8所示。蠑螈機(jī)器人四肢的控制網(wǎng)絡(luò)是相似的，每條腿有三個(gè)控制振蕩器，擺動(dòng)振蕩器控制著腿的前后擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，抬腿振蕩器控制著腿的抬起和落下，膝振蕩器控制著膝關(guān)節(jié)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。由于蠑螈向前行走的時(shí)候，其四條腿是對(duì)角線同步的，兩個(gè)前肢(或兩個(gè)后肢)之間的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)則是反相的。為了利用身體網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)前后肢的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四肢對(duì)角線同步的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，將身體肩部過渡振蕩器的屈肌神經(jīng)元通過抑制性突出被連接到了右前肢擺動(dòng)振蕩器的屈肌神經(jīng)元，通過興奮性突觸被連接到了左前肢擺動(dòng)振蕩器的屈肌神經(jīng)元。肩部過渡振蕩器的伸肌神經(jīng)元與前肢之間的連接與屈肌神經(jīng)元和前肢之間的連接是關(guān)于蠑螈的身體縱剖面對(duì)稱的。此前肢擺動(dòng)振蕩器與身體振蕩器之間的連接關(guān)系起到了使左右前肢相互反相運(yùn)動(dòng)的作用。由于向前行走時(shí)蠑螈的身體呈現(xiàn)一個(gè)駐波，因此，將前肢擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元通過興奮性突觸被連接到了與其接近的軀干振蕩器的身體同側(cè)神經(jīng)元。利用蠑螈身體呈駐波的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到蠑螈四肢運(yùn)動(dòng)的對(duì)角線同步以及左右后肢之間的反相運(yùn)動(dòng)，建立了后肢擺動(dòng)振蕩器與身體胯部過渡振蕩器之間的連接，此連接關(guān)系與前肢擺動(dòng)振蕩器和肩部過渡振蕩器之間的連接關(guān)系是相似的，僅突觸的特性進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的改變。后肢擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元?jiǎng)t通過興奮性突觸被連接到了與其接近尾部振蕩器的身體同側(cè)神經(jīng)元，屈肌神經(jīng)元?jiǎng)t通過興奮性突觸被連接到了與其接近軀干振蕩器的身體同側(cè)神經(jīng)元。由于蠑螈腿部向前擺動(dòng)的過程中，需要抬腿以減小地面摩擦力對(duì)腿部向前擺動(dòng)的影響，腿部向后擺動(dòng)的時(shí)候又需要下壓腿部以增加抓地力，因此，將四肢擺動(dòng)振蕩器屈肌神經(jīng)元的輸出通過興奮性突觸連接到了抬腿振蕩器的屈肌神經(jīng)元。蠑螈為了提高行走的速度，有時(shí)會(huì)在前肢向后擺動(dòng)的過程中通過前肢膝關(guān)節(jié)的內(nèi)收增加向前行走的步長(zhǎng)。為此，將前肢擺動(dòng)振蕩器伸肌神經(jīng)元的輸出通過興奮性突觸連接到了膝振蕩器的屈肌神經(jīng)元。與蠑螈腦干對(duì)脊髓控制網(wǎng)絡(luò)的控制相似，通過規(guī)劃蠑螈機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入信號(hào)便可產(chǎn)生各種節(jié)律運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

(2)非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)

考慮到蠑螈在非節(jié)律運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)的屈肌和伸肌的作用也是相互抑制的，因此，利用相互抑制的兩神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)作為關(guān)節(jié)的非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)。由于不影響運(yùn)動(dòng)步態(tài)的實(shí)現(xiàn)，暫不建立關(guān)節(jié)非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)之間的連接關(guān)系，只為蠑螈機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的每個(gè)自由度建立了一個(gè)兩神經(jīng)元相互抑制控制網(wǎng)絡(luò)，然后，通過來自腦干的神經(jīng)控制信號(hào)對(duì)蠑螈機(jī)器人的非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，同時(shí)協(xié)調(diào)節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，具體的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(3)節(jié)律和非節(jié)律網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制

在不影響蠑螈機(jī)器人行走和游泳步態(tài)實(shí)現(xiàn)的情況下暫不建立節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)和非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)之間的連接關(guān)系。另外，假設(shè)節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)和非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)節(jié)控制網(wǎng)絡(luò)的屈肌神經(jīng)元(或伸肌神經(jīng)元)的輸出經(jīng)過加和后輸出到對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的屈肌(或伸肌)，如圖10所示。在腦干控制信號(hào)的作用下節(jié)律運(yùn)動(dòng)和非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)合作產(chǎn)生蠑螈機(jī)器人的起立行走運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

對(duì)于蠑螈機(jī)器人的節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)所有低頻控制網(wǎng)絡(luò)的振蕩器參數(shù)都是相同的，并選取振蕩器的參數(shù)為：τi＝0.04、γi＝0.044、εi＝2、σi＝0.1、aii＝2.12、bi＝0.08、θi＝-0.2、和aii+1＝-0.05、ai+1i＝-0.03(i＝1，3，…，45)。對(duì)于振蕩器之間的連接權(quán)重，選取身體振蕩器之間的興奮性權(quán)重為0.03，身體振蕩器與四肢振蕩器之間的興奮性連接權(quán)重為0.1，身體振蕩器與四肢振蕩器之間的抑制性連接權(quán)重為-0.1，四肢振蕩器之間的興奮性連接權(quán)重為0.1。除了τi和γi外，高頻游泳控制網(wǎng)絡(luò)的振蕩器參數(shù)與低頻控制網(wǎng)絡(luò)的振蕩器參數(shù)是相同的。對(duì)于高頻控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置τi＝0.02和γi＝0.022。對(duì)于非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)所有關(guān)節(jié)的相互抑制兩神經(jīng)元控制網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)都是相同的，并選取相互抑制兩神經(jīng)元控制網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為：τi＝0.04、γi＝0.044、εi＝2、σi＝0.1、aii＝0.05、bi＝0.6、θi＝-0.2、和aii+1＝-0.05、ai+1i＝-0.05(i＝1，3，…，41)。

根據(jù)設(shè)計(jì)步驟(2)，蠑螈機(jī)器人節(jié)律和非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)的激活、失活和飽和輸出是可以通過改變控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于游泳和行走的節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)僅僅神經(jīng)元i處于失活或飽和輸出，而其它神經(jīng)元都處于節(jié)律輸出時(shí)，神經(jīng)元i失活的外部輸入si的上界和飽和的外部輸入si的下界如表6和7所示。對(duì)于非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)僅僅神經(jīng)元i處于失活或飽和狀態(tài)，而其它神經(jīng)元都激活且小于飽和輸出時(shí)，神經(jīng)元i失活的外部輸入si(i＝1，…，42)的上界為-0.4，神經(jīng)元i飽和的外部輸入si(i＝1，…，42)的下界為181.2。

表6對(duì)于行走節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元i失活的外部輸入si上界和飽和的外部輸入si下界

表7對(duì)于游泳節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元，失活的外部輸入si上界和飽和的外部輸入si下界

利用蠑螈機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型以及所設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，下面對(duì)蠑螈機(jī)器人的行走和游泳步態(tài)的產(chǎn)生以及它們之間相互切換的性能進(jìn)行了仿真。

(1)陸上行走

蠑螈在陸上行走時(shí)，除了利用腿部的支撐抵抗重力保持站立外，身體也會(huì)保持一定的剛度，以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的效率。因此，假設(shè)利用腦干產(chǎn)生的外部輸入信號(hào)激活整個(gè)蠑螈機(jī)器人的非節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)由腦干產(chǎn)生的蠑螈機(jī)器人非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)外部輸入為si＝10，(i＝1，…，42)。然后，利用由腦干產(chǎn)生的外部輸入信號(hào)使高頻游泳控制網(wǎng)絡(luò)保持失活，激活低頻的行走節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器人便可以產(chǎn)生節(jié)律的直立向前行走運(yùn)動(dòng)，其中低頻行走節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入信號(hào)si(i＝1，…，46)如表8所示，對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如11圖所示。

表8低頻行走網(wǎng)絡(luò)的外部輸入

從圖11可以看出，蠑螈機(jī)器人在行走過程中其身體呈現(xiàn)一個(gè)駐波，四肢是對(duì)角線同步的。而且，在行走過程中當(dāng)四肢向前擺動(dòng)的過程中腿部會(huì)向上抬起，而向后擺動(dòng)的時(shí)候會(huì)下壓，增加抓地力，同時(shí)前肢的下臂內(nèi)收增強(qiáng)蠑螈機(jī)器人向前行走的能力。

(2)游泳運(yùn)動(dòng)

當(dāng)蠑螈從陸上行走到水中后，在浮力的作用下其四肢的抗重力作用減弱或消失。為此，當(dāng)蠑螈游泳后假設(shè)蠑螈機(jī)器人四肢控制網(wǎng)絡(luò)的非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)是失活的。對(duì)于蠑螈機(jī)器人的身體非節(jié)律控制網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)其外部輸入與陸地上行走時(shí)保持相同。從行走切換到游泳運(yùn)動(dòng)后，通過設(shè)置蠑螈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的外部輸入，使蠑螈機(jī)器人的高頻節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)被激活，此時(shí)高頻節(jié)律運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)外部輸入si(i＝1，…，22)為0.2，低頻節(jié)律行走網(wǎng)絡(luò)的身體控制網(wǎng)絡(luò)被失活。四肢擺動(dòng)振蕩器的伸肌神經(jīng)元、抬腿振蕩器和膝振蕩器的屈肌神經(jīng)元產(chǎn)生飽和輸出，對(duì)應(yīng)振蕩器的另一個(gè)神經(jīng)元處于失活狀態(tài)。這些外部輸入信號(hào)的控制下，蠑螈機(jī)器人的四肢向上抬起，并向后緊緊靠著蠑螈機(jī)器人身體，以減少對(duì)向前游動(dòng)的阻力，同時(shí)，機(jī)器人身體產(chǎn)生一個(gè)行波，推動(dòng)蠑螈機(jī)器人向前游動(dòng)。蠑螈機(jī)器人行走和游泳運(yùn)動(dòng)以及他們之間相互切換的仿真結(jié)果如圖12所示。

從圖12中可以看出，蠑螈機(jī)器人首先進(jìn)行陸上行走運(yùn)動(dòng)，10秒時(shí)切換為游泳運(yùn)動(dòng)。當(dāng)蠑螈陸上行走時(shí)身體和四肢的運(yùn)動(dòng)與上述陸上行走運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果相似，符合蠑螈陸上行走步態(tài)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)身體呈現(xiàn)一個(gè)行波，推動(dòng)蠑螈機(jī)器人向前游動(dòng)。而且游泳運(yùn)動(dòng)的頻率高于陸上行走運(yùn)動(dòng)的頻率，四肢則向上抬起向后靠著身體，以減少阻力。上述仿真結(jié)果是與蠑螈運(yùn)動(dòng)形態(tài)和神經(jīng)肌肉控制機(jī)理的研究結(jié)果相一致的。