周守信

摘要： 隨著仿生機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于中樞模式發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)控制方法逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。中樞模式發(fā)生器是對(duì)生物運(yùn)動(dòng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿生，對(duì)于機(jī)器人的節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制具有很大的優(yōu)越性。文章首先介紹了中樞模式發(fā)生器的概念及特點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了典型的中樞模式發(fā)生器模型及其對(duì)仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制。

關(guān)鍵詞：中樞模式發(fā)生器；CPG；仿生機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）02-0062-03

自然界中，各類生物為適應(yīng)復(fù)雜多變的生存環(huán)境，進(jìn)化出令人驚嘆的本領(lǐng)與特征。這些優(yōu)良的生物性能給人類創(chuàng)造與設(shè)計(jì)提供各種靈感。通過(guò)學(xué)習(xí)、模仿某些生物的特性及功能，可以提高人類對(duì)自然的適應(yīng)和改造能力。因此，近年來(lái)，仿生機(jī)器人的研究引起了廣泛的關(guān)注。在仿生控制領(lǐng)域中，基于中樞模式發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)控制方法因其優(yōu)越性能得到廣泛應(yīng)用，成為仿生控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 中樞模式發(fā)生器

從生物學(xué)角度講，中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generators，CPG）是指一類存在于無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元電路。它由脊髓和腦干的中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)組成，通過(guò)神經(jīng)元之間的相互抑制，產(chǎn)生穩(wěn)定的相位鎖定的周期信號(hào)，控制軀體相關(guān)部位的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)，例如呼吸、行走、飛行等。

CPG的研究及發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。早在1911年，G.Brown就指出控制貓行走運(yùn)動(dòng)的基本神經(jīng)元回路存在于脊髓中。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，生物學(xué)家陸續(xù)在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)模式發(fā)生網(wǎng)絡(luò)，找到CPG在脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)存在的證據(jù)。至20世紀(jì)80年代，CPG生物模型和數(shù)學(xué)模型逐漸建立起來(lái)，促進(jìn)了CPG的研究和應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，CPG理論日臻完善，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。進(jìn)入21世紀(jì)，CPG得到空前發(fā)展，應(yīng)用于機(jī)器人控制的數(shù)量大幅增加。

2 中樞模式發(fā)生器的特征

CPG作為一種生物學(xué)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)機(jī)器人的控制方法不同，其主要特征有：

（1）可以在無(wú)節(jié)律信號(hào)輸入、無(wú)反饋信息及缺少高層控制命令的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號(hào)。

（2）通過(guò)相位滯后及相位鎖定，可以產(chǎn)生多種穩(wěn)定的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多樣的運(yùn)動(dòng)模態(tài)。

（3）易于集成環(huán)境反饋信號(hào)，形成反饋控制系統(tǒng)。

（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)能力。

CPG的這些特征與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相結(jié)合，常被用于機(jī)器人節(jié)律運(yùn)動(dòng)的底層控制器，同時(shí)在CPG模型中耦合高層控制中心的控制命令及反饋信息，可以在線產(chǎn)生穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的節(jié)律信號(hào)，控制機(jī)體的節(jié)律運(yùn)動(dòng)。

3 中樞模式發(fā)生器在仿生機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著仿生機(jī)器人的發(fā)展及CPG對(duì)節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)良特征，CPG控制方法在仿生機(jī)器人控制領(lǐng)域逐漸成為熱點(diǎn)，并得到迅猛發(fā)展。目前為止，越來(lái)越多的CPG模型被相繼建立出來(lái)，以控制仿生機(jī)器人的節(jié)律運(yùn)動(dòng)。下面給出較為典型的CPG模型及其對(duì)仿生機(jī)器人的控制。

3.1 相位振蕩器模型

瑞士科學(xué)家Ijspeert根據(jù)蠑螈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體波動(dòng)的特征，在Cohen提出的相位振蕩器的基礎(chǔ)上，提出了更完整的相位振蕩器模型。

（1）

式中：表示第個(gè)振蕩器的相位；表示第個(gè)振蕩器的幅值；表示固有頻率；表示固有幅值；表示幅值收斂速度；表示耦合權(quán)重；表示振蕩器間的相位關(guān)系；表示第個(gè)振蕩器的輸出。

該振蕩器模型有明顯的相位耦合關(guān)系，而且相比Cohen的相位振蕩器模型，添加了顯示的輸出函數(shù)，且狀態(tài)變量少，計(jì)算量小，易于工程推廣。Ijspeert采用此模型成功控制兩棲仿蠑螈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖1 Ijespeert 的仿生蠑螈CPG控制示意圖

3.2 遞歸振蕩器模型

Matsuoka模型是最為著名的遞歸振蕩器模型。它是由日本九州工業(yè)大學(xué)的Matsuoka教授融合半層振蕩器概念而構(gòu)建的。但是由于該振蕩器只能提供正值輸出信號(hào)，限制了其工程應(yīng)用。因此，日本機(jī)器人控制專家Kimura根據(jù)機(jī)器人控制的實(shí)際要求，改進(jìn)了此模型。

（2）

式中：表示第個(gè)振蕩器單元的屈肌及伸肌神經(jīng)元；表示或，表示第個(gè)振蕩器單元屈肌或伸肌的內(nèi)部狀態(tài)；表示神經(jīng)元的自抑制程度；及分別表示屈肌或者伸肌的輸出信號(hào)；表示外部輸入；表示機(jī)器人的反饋輸入；表示自抑制對(duì)細(xì)胞內(nèi)部狀態(tài)的影響程度；及表示時(shí)間常數(shù)；表示伸肌與屈肌間的權(quán)重；表示振蕩神經(jīng)元間的耦合權(quán)重。

該模型數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單，能較好地表達(dá)CPG的生物學(xué)特性。而且，該模型中引入了反饋控制項(xiàng)，在實(shí)際控制系統(tǒng)中可以利用反饋信息提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性。因此，Kimura團(tuán)隊(duì)將改進(jìn)的CPG模型成功應(yīng)用于足式機(jī)器人的控制。

圖2 基于Kimura 模型的四足機(jī)器人

3.3 基于Hopf振蕩器的CPG模型

Hopf振蕩器是著名的具有穩(wěn)定極限環(huán)的非線性振蕩器。汪明等根據(jù)此振蕩器構(gòu)建了基于極限環(huán)的CPG模型。

（3）

式中：分別表示神經(jīng)元振蕩器的膜電勢(shì)和調(diào)節(jié)勢(shì)能；表示第個(gè)神經(jīng)元振蕩器，其中n表示尾鰭的神經(jīng)元振蕩器，分別表示左、右胸鰭的神經(jīng)元振蕩器；表示第個(gè)神經(jīng)元振蕩器的固有振蕩頻率；表示第個(gè)神經(jīng)元振蕩器的固有幅值；表示振蕩器間的權(quán)重。

該振蕩器模型采用最近相鄰耦合關(guān)系，減少了CPG模型的參數(shù)數(shù)量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。而且，模型中的參數(shù)意義明確，參數(shù)相對(duì)獨(dú)立，易于調(diào)節(jié)，使用方便。汪明等采用此模型成功控制了帶有胸鰭的仿生機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)。

圖3 仿生機(jī)器魚(yú)的CPG控制示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于CPG的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是仿生機(jī)器人領(lǐng)域的新的研究熱點(diǎn)。由于CPG控制方法本身的穩(wěn)定性、可靠性及無(wú)需節(jié)律信號(hào)輸入等特點(diǎn)，越來(lái)越多的仿生機(jī)器人采用基于CPG的控制方法控制運(yùn)動(dòng)。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）