CN116330293A - 一种具有空间、时间非对称特征的cpg相位振荡器模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型及其应用。该模型通过构建振幅偏置方程，引入振幅偏置来实现空间非对称特征；通过构建频率方程，设定不同的向上及向下频率来实现时间非对称特征；将带有空间非对称系数的偏置方程与带有时间非对称系数的频率方程引入传统的CPG相位振荡器模型中，即可完成具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型的构建。经过改进后的CPG相位振荡器可用于仿生机器人运动控制，与现有技术相比，本发明构建的CPG相位振荡器模型可实现空间非对称、时间非对称的类正弦信号输出，且非对称性单独可控、不同种类信号过渡快速且平滑，具有计算简单、控制方便、运动仿生相似度高的特点。

Description

一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型

技术领域

本发明涉及仿生机器人运动控制，具体地说，涉及一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型。

背景技术

仿生机器人在环境研究、矿产勘探、生物研究等民用领域和军用领域中具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。根据这些需求，仿生机器人需要具有很强的环境适应能力和运动灵活度，因此对机器人的运动控制有了更高的要求，要求在运动控制方面对真实的生物进行仿生。

学者研究表明，中央模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)是一种神经网络，用于在动物体内产生周期性节律信号，控制生物体的周期性运动及其之间的切换。自然界中生物的运动姿态由CPG控制，在无需高级神经中枢和反馈信息情况下，即可生成节律信号。所有CPG单元通过拓扑连接关系形成CPG神经网络，从而控制生物的诸多参数，故构建一个人工CPG神经网络可使仿生机器人的运动更加灵活，更加贴近生物实际，对于实现仿生机器人的运动控制仿生尤为重要。传统的CPG相位振荡器模型仅能输出大于0的余弦信号，无法实现空间非对称、时间非对称的类正弦信号输出，故采用传统的CPG相位振荡器模型实现仿生机器人运动控制十分困难，需要设计一种新的CPG相位振荡器模型。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，实现仿生机器人的运动控制仿生，本发明提出一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型。该方法的特点是：针对仿生机器人，通过建立具有空间、时间非对称特征CPG相位振荡器模型，产生具有相应特征的节律信号，实现相位振荡器对应单元的控制，进而实现仿生机器人的运动控制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是通过引入振幅偏置实现空间非对称特征，通过设定不同的上下拍频率实现时间非对称特征；构建具有空间、时间非对称性特征的CPG模型；由CPG控制器输出空间、时间非对称的类正弦信号控制相位振荡器对应单元，从而实现仿生机器人的运动控制。

本发明利用具有空间、时间非对称性特征的CPG相位振荡器模型来实现运动控制，该模型的构建过程基于传统的相位振荡器模型，传统模型如下式所示：

其中，第一个方程为振幅方程，a_i表示幅值，γ_i表示控制振幅收敛速度的正常数，A_i表示期望振幅；第二个方程为相位方程，φ_i表示第i个单元的相位，f_i表示固有频率，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，

表示期望相位差；第三个方程为输出方程，θ_i表示输出值。其中a_i、γ_i、φ_i、ω_ij为状态参数，A_i、f_i、/>

为输入的控制参数。可以看出，输出的信号是大于0的余弦信号，无法实现具有时间和空间非对称特征的类正弦信号输出。

本发明引入振幅偏置来实现空间非对称特征，具体的，构建的振幅偏置方程为：

其中，a_xi表示振幅偏置，b_i表示偏置收敛系数，空间非对称系数

A_i≠0，表示为期望偏置与期望振幅的比值，A_xi表示期望偏置。

通过设定不同的向上及向下频率来实现时间非对称特征。频率f_i的表达式为：

其中，f_{i_up}为向上频率，f_{i_down}为向下频率，δ_i为时间非对称系数，定义为向上频率与向下频率的比值，即

T_i为周期，/>

为输出值变化率。

将上述带有时间非对称系数δ_i的频率方程与带有空间非对称系数μ_i的偏置方程引入传统的CPG相位振荡器模型中，得到改进后具有空间、时间非对称CPG相位振荡器模型为：

控制系统通过改变空间非对称系数μ_i与时间非对称系数δ_i来改变偏置和向上、向下频率；通过改变第i、j个CPG相位振荡器之间的期望相位差

来改变第i、j个CPG单元间的相位关系；通过改变A_i来改变振幅；通过改变CPG单元间的相位关系、振幅、频率、偏置以及耦合权重，经过方程运算可改变各CPG单元的输出，进而实现各CPG单元对应机构的控制，由此实现仿生机器人的仿生运动控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明设计了一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型，实现了空间非对称、时间非对称的类正弦信号输出，具有计算简单、控制方便、环境适用性强、运动仿真度高的特点。

1.传统的CPG相位振荡器模型只能产生输出值大于0的余弦信号，而进行仿生航行器运动机构控制时需要输出值小于0的信号，且生物运动时各部位往往不是在空间、时间上完全对称的，故采用传统的CPG相位振荡器难以实现仿生机器人的运动控制。本发明能够实现空间、时间非对称的类正弦信号输出，有利于实现仿生机器人的精确运动控制；

2.定义了空间非对称系数μ_i与时间非对称系数δ_i，具有明确的物理意义，能够单独控制输出信号的偏置和向上、向下频率；

3.通过改变空间非对称系数μ_i与时间非对称系数δ_i来改变偏置和向上、向下频率，可实现输出信号由对称性到非对称性、非对称性到对称性的快速平稳过渡。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是CPG相位振荡器模型控制参数与状态参数示意图。

图2是本发明所述传统的CPG相位振荡器模型输出图。

图3是本发明所述改进后具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型输出图。

图4是本发明所述仿蝠鲼航行器空间、时间非对称运动控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点全面、清晰的展现出来，下面将结合附图对具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型的具体实施方式做进一步的详细说明。需要提前说明的是，为了便于描述，所给出的附图仅是本发明相关的部分结构示意图，并非是本发明的全部实施例。

如图1所示，本发明改进了传统的CPG相位振荡器，提出了一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型。本实施例相位振荡器构建过程包括以下步骤：

1.传统的相位振荡器方程如下所示：

其中，第一个方程为振幅方程，a_i表示幅值，γ_i表示控制振幅收敛速度的正常数，A_i表示期望振幅；第二个方程为相位方程，φ_i表示第i个单元的相位，f_i表示固有频率，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，

表示期望相位差；第三个方程为输出方程，θ_i表示输出值。

设定f_i＝0.4，A_i＝20，相位振荡器的输出如图2所示。可以看到，虽然输出信号的频率及幅值达到了期望值，但是该输出信号为大于0的余弦信号，并且其不具有时间和空间非对称特征，无法实现非对称类正弦信号输出。

2.引入振幅偏置来实现空间非对称特征。构建振幅偏置方程，其表达式为：

其中，a_xi表示振幅偏置，b_i表示偏置收敛系数，空间非对称系数

A_i≠0，表示为期望偏置与期望振幅的比值，A_xi表示期望偏置。

设定不同的向上及向下频率来实现时间非对称特征。构建频率方程，其表达式为：

其中，f_{i_up}为向上频率，f_{i_down}为向下频率，δ_i为时间非对称系数，定义为向上频率与向下频率的比值，即

T_i为周期，/>

为输出值变化率。

3.将带有时间非对称系数δ_i的频率方程与带有空间非对称系数μ_i的偏置方程引入传统的CPG相位振荡器模型中，得到改进后具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型为：

初始变量A_i、T、δ_i、μ_i分别为20°、2.5s、1、0。开始时输出变量θ为时间和空间对称性信号，向上和向下频率均为0.4Hz，最大输出为20°，最小输出为-20°；然后3s时δ_i从1变为

时间非对称性特征出现，下拍频率变为0.67Hz，上拍频率变为0.29Hz；再然后μ_i从0变为0.5，空间非对称性特征出现，最大输出为30°，最小输出为-10°，相位振荡器的输出如图3所示。可以看到，通过改变空间和时间非对称系数μ_i和δ_i，实现了CPG相位振荡器输出信号的非对称性特征，实现了不同种类信号的快速平滑过渡。

控制系统通过改变空间非对称系数μ_i与时间非对称系数δ_i来改变偏置和向上、向下频率；通过改变第i、j个CPG相位振荡器之间的期望相位差

来改变第i、j个CPG单元间的相位关系；通过改变A_i来改变振幅。

各CPG单元的相位振荡器可以方便地输出空间、时间非对称的类正弦信号的信号以控制仿生机器人的各机构，由此实现仿生机器人的运动控制。

将本实施例的相位振荡器应用于仿蝠鲼航行器的运动控制当中，如图4所示。仿蝠鲼航行器左侧胸鳍包含3个舵机，分别命名为舵机1、2、3，右侧胸鳍舵机命名为舵机4、5、6，6个驱动舵机分别对应6根胸鳍鳍条。每个舵机由一个相位振荡器模型控制，舵机间的相互联系通过CPG拓扑网络及耦合项实现。控制系统能够将CPG网络中各CPG相位振荡器输出的空间、时间非对称信号转换成具有偏置且上下拍频率不同的舵机转动角度控制信号，并根据各舵机转动角度控制信号自动控制相应舵机转动，使得胸鳍在具有偏置且上下拍频率不同的情况下进行扑动，实现仿蝠鲼航行器的运动控制。

以上所述的具体实施例仅为对本发明的技术思想进行展示和说明，不能用于限定本发明，凡在本发明的设计思想和原则之内，在技术方案上所做的任何修改、替换及改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型，其特征在于，该模型表示为：

其中，第一个方程为频率f_i的表达式

第二、三个方程为振幅方程，a_xi表示振幅偏置，b_i表示偏置收敛系数，空间非对称系数

表示为期望偏置与期望振幅的比值，A_xi表示期望偏置。A_i表示期望振幅；a_i表示幅值，γ_i表示控制振幅收敛速度的正常数；

第四个方程为相位方程，φ_i表示第i个单元的相位，f_i表示固有频率，ω_ij表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，

表示期望相位差；

第五个方程为输出方程，θ_i表示输出值。其中a_i、γ_i、φ_i、ω_ij为状态参数，A_i、f_i、

为输入的控制参数，构建的振幅偏置方程为：

通过设定不同的向上及向下频率来实现时间非对称特征。频率f_i的表达式为：

其中，f_{i_up}为向上频率，f_{i_down}为向下频率，δ_i为时间非对称系数，定义为向上频率与向下频率的比值，即

T_i为周期，/>

为输出值变化率。

2.如权利要求1所述具有空间、时间非对称特征的CPG相位振荡器模型在仿生机器人仿生运动控制中的应用，其特征在于，控制系统通过改变空间非对称系数μ_i与时间非对称系数δ_i来改变偏置和向上、向下频率；通过改变第i、j个CPG相位振荡器之间的期望相位差

来改变第i、j个CPG单元间的相位关系；通过改变A_i来改变振幅；通过改变CPG单元间的相位关系、振幅、频率、偏置以及耦合权重，经过方程运算可改变各CPG单元的输出，进而实现各CPG单元对应机构的控制，由此实现仿生机器人的仿生运动控制。

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