CPG及其運動控制任冠佼解析實用

會計學(xué)1CPG及其運動控制任冠佼解析實用目錄CPG的基本概念及思想來源1CPG的MTA-CNN方法實現(xiàn)2

CPG的其他實現(xiàn)方法3

結(jié)論及下一步的工作4第1頁/共13頁一、CPG的基本概念及思想來源全稱：CentralPatternGenerators，中樞神經(jīng)模式發(fā)生器

“自然界非常有節(jié)律，且節(jié)律多樣又多變”——《自然之?dāng)?shù)》例1：心臟、脈搏的跳動，呼吸等。例2：1935年Science上，HughSmith關(guān)于螢火蟲閃光的描述。為何存在節(jié)律？ 假如你不想或不能保持靜止，這是你能做的最簡單的事。存在于哪？ 在脊椎動物的脊髓（spinalcord），無脊椎動物的神經(jīng)節(jié)（ganglion）中均可發(fā)現(xiàn)這種節(jié)律，無需大腦控制。例3：無頭的蟑螂可以靈活行走；例4：人類行走的時候無需大腦思考；例5：去腦的貓可以很好的行走在同步帶上（Rossignol,2000）?！跋胂褚幌?，一顆10米至12米高的樹，每片樹葉上都有一個螢火蟲，所有的螢火蟲大約都以每2秒3次的頻率同步閃光，這棵樹在兩次閃光之間漆黑一片。想象一下，在160米長的河岸兩旁是不間斷的芒果樹列，每一片樹葉上的螢火蟲，以及樹列兩端之間所有樹上的這種昆蟲完全一致同步閃光。那么，倘若某人的想象力足夠生動的話，他會對這驚奇的奇觀產(chǎn)生某種概念?！钡?頁/共13頁一、CPG的基本概念及思想來源如何描述? AvisHCohen，1982年，對lamprey（一種魚類）的脊髓進(jìn)行了解剖，用微分方程以及方程組之間的耦合進(jìn)行描述，如右圖。是否適用于仿生機(jī)器人控制？ 傳統(tǒng)的多足機(jī)器人控制運用串并聯(lián)機(jī)器人的模型對其進(jìn)行描述，此種方法在機(jī)器人行走在非結(jié)構(gòu)環(huán)境時并不適用。例如：人無法畫出一條非常直的直線，即精密運動控制的方法并不仿生。國際上此領(lǐng)域的專家

瑞士

A.J.Ijspeert

意大利 P.Arena

日本 S.Inagaki

德國 M.Timme,P.Manoopong

2007,Science,2008,NeuralNetworksGoogleScholar333cited2010NaturePhysics第3頁/共13頁二、CPG的MTA-CNN方法實現(xiàn)PaoloArena1) Int.J.Circ.Theor.Appl.2002Int.J.Circ.Theor.Appl.2002IEEETrans.onSystems,Man andCybernetics2004

CNN——Cellularneuralnetworks,MTA——Multi-templateapproach每條腿均用一個振蕩神經(jīng)元描述各個神經(jīng)元之間的連接描述成如下圖所示的二維CNN網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)各個神經(jīng)元之間的連接值即可生成不同模板，對應(yīng)不同步態(tài)第4頁/共13頁二、CPG的MTA-CNN方法實現(xiàn)

CNN——Cellularneuralnetworks,MTA——Multi-templateapproach第5頁/共13頁二、CPG的MTA-CNN方法實現(xiàn)不同模板均可用矩陣A描述，A如下CNN網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)方法：模擬電路 根據(jù)運算放大器的虛短虛斷，電路的第一個運放表示微分方程，第二部分利用運放的飽和性質(zhì)實現(xiàn)方程的絕對值項。

CNN——Cellularneuralnetworks,MTA——Multi-templateapproach第6頁/共13頁二、CPG的MTA-CNN方法實現(xiàn)

MTA-CNN方法的優(yōu)缺點CNN網(wǎng)絡(luò)有其成熟的理論，用以生成CPG理論上簡單作者給出了根據(jù)不同步態(tài)生成不同模板的方法，按照給定方法切實可行利用模擬電路實現(xiàn)微分方程，不同模板之間切換只能改變模擬電路的電阻與電容值，相對復(fù)雜，且不平滑模擬電路重量沉，不易放在機(jī)器人上（后期作者利用VLSI技術(shù)實現(xiàn)了小型化，但設(shè)計芯片較復(fù)雜）第7頁/共13頁三、CPG的其他實現(xiàn)方法日本人S.Inagaki基于圖論與量子力學(xué)的方法

將各個神經(jīng)元看作圖的頂點，各神經(jīng)元之間的連接看作圖的邊各頂點用薛定諤波動方程描述物理上，各模塊可拆卸，可組合成四足、六足、八足，各模塊內(nèi)部不需要知道整機(jī)形態(tài)是幾足的，組裝后可產(chǎn)生震蕩各神經(jīng)元振蕩情況如下圖第8頁/共13頁三、CPG的其他實現(xiàn)方法P.Manoonpong的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

只采用三角步態(tài)（或?qū)ΨQ步態(tài)，相對八足機(jī)器人而言）外部傳感器信號可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改變CPG振蕩的相位與頻率CPG通過離散動力方程實現(xiàn)，更方便數(shù)字化可是實現(xiàn)反射、自主避障與產(chǎn)生逃逸等行為第9頁/共13頁三、CPG的其他實現(xiàn)方法A.J.Ijspeert振蕩神經(jīng)元模型，用于機(jī)器蠑螈控制

當(dāng)機(jī)器人從陸地進(jìn)入水中時，四足自動停止振蕩，機(jī)體振蕩加速各個神經(jīng)元模型用下式描述第10頁/共13頁四、結(jié)論及下一步的工作生物的運動是由CPG生成與控制的；不同的生物CPG不同，不同學(xué)者對其的描述各異；CPG是由帶有振蕩功能的神經(jīng)元（Neuron）以及各神經(jīng)元之間的連接（Synapsis）構(gòu)成的；大腦（主控制器）與外部信號（通過傳感器得知）可以修改各神經(jīng)元之間的連接，從而改變神經(jīng)元振蕩波形。 因此接下來我的主要工作