[發(fā)明專利]仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710323731.3
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN106914901B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉強(qiáng);趙琳琳
• 申請（專利權(quán)）人: 淮海工學(xué)院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 連云港潤知專利代理事務(wù)所 32255
• 代理人: 劉喜蓮

1.一種仿生機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)的分層構(gòu)建方法，其特征在于，其步驟如下：

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

(2)根據(jù)某一組或一類運(yùn)動步態(tài)，構(gòu)建仿生機(jī)器人某一層運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建的運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)層被分為節(jié)律運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)層和非節(jié)律運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)層；節(jié)律運(yùn)動和非節(jié)律運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)層由產(chǎn)生某種或某類運(yùn)動步態(tài)的運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成；

(3)將各層運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)組合到一起，構(gòu)成整個的仿生機(jī)器人運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)；利用上層神經(jīng)中樞產(chǎn)生控制信號，使整個運(yùn)動控制網(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)動步態(tài)；所述的中樞為腦干；

對每一層的運(yùn)動控制網(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神經(jīng)元模型，然后將兩個神經(jīng)元之間通過抑制性突觸相互連接，構(gòu)成一個振蕩器模型；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，輸出具有飽和特性，當(dāng)x＜θ時，神經(jīng)元沒有輸出；

所述的運(yùn)動控制神經(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)動控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中一個神經(jīng)元的輸出作為機(jī)器人關(guān)節(jié)的曲肌控制信號，另一個神經(jīng)元的輸出作為關(guān)節(jié)的伸肌控制信號，然后，根據(jù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動關(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)動控制網(wǎng)絡(luò)層也可以構(gòu)建非節(jié)律運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)層，不同之處在于所選取運(yùn)動控制網(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微分方程組中的一個：

式中，x為神經(jīng)元的膜電勢；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)元膜電勢相關(guān)的時間常數(shù)，τ＞0；γ跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時間常數(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)；

兩個神經(jīng)元之間相互抑制，每個神經(jīng)元具有一個自我興奮性連接；具體模型如下：

式中，x_i為第i神經(jīng)元的膜電勢；y_i為第i神經(jīng)元的輸出；s_i為第i神經(jīng)元所收到的外部輸入；a_ij(j∈{1,2},j≠i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，a_ij＜0；a_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)元膜電勢相關(guān)的時間常數(shù)，τ_i＞0；γ_i跟第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時間常數(shù)，γ_i＞0；x′_i為反應(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，b_i＞0；θ_i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ε_i和σ_i為常系數(shù)，ε_i＞0和σ_i＞0；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)滿足時，振蕩器既能產(chǎn)生振蕩輸出或非振蕩輸出，此時的外部輸入s_i,(i＝1,2)的取值范圍為：

振蕩器產(chǎn)生振蕩輸出時，其參數(shù)應(yīng)滿足的條件為：

振蕩器產(chǎn)生非振蕩輸出時，其參數(shù)應(yīng)滿足的條件為：

(1)

(2)

(3)

或

(1)

(2)

(3)σ_i≥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)a_ii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s_i＜ε_iθ_i,(i＝1,2)時，振蕩器的輸出是不激活的，當(dāng)時，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)元膜電勢相關(guān)的時間常數(shù)τ_i,i＝1,2和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時間常數(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s_i,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；x_i為第i神經(jīng)元的膜電勢；y_i為第i神經(jīng)元的輸出；s_i為第i神經(jīng)元所收到的外部輸入；a_ij(j∈{1,…,n},j≠i)為神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，a_ij＞0表示興奮性連接，a_ij＜0表示抑制性連接；a_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)元膜電勢相關(guān)的時間常數(shù)，τ_i＞0；γ_i跟第i神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時間常數(shù)，γ_i＞0；x_i′為反應(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，b_i＞0；θ_i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ε_i和σ_i為常系數(shù)，ε_i＞0和σ_i＞0；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，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)相對應(yīng)的外部輸入s_i,i∈Λ₃的取值范圍為：

其中，Ω_i＝{j|a_ij＞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)σ_i≥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)a_ii和疲勞系數(shù)b_i實(shí)現(xiàn)，且這部分神經(jīng)元輸出隨外部輸入s_i,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)元膜電勢相關(guān)的時間常數(shù)τ_i,i∈Λ₃和跟神經(jīng)元疲勞過程相關(guān)的時間常數(shù)γ_i,i∈Λ₃進(jìn)行調(diào)節(jié)；

所述仿生機(jī)器人運(yùn)動控制神經(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，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s_i,i∈Λ₁的取值范圍為：

所述仿生機(jī)器人運(yùn)動控制神經(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，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s_i,i∈Λ₂的取值范圍為：