一种利用插值过渡的频率连续特征的CPG相位振荡器模型

本发明涉及仿生机器人运动控制，具体地说，涉及一种在一定触发条件下具有频率连续光滑过渡特征的中央模式发生器(cpg)相位振荡器模型。

背景技术：

1、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。

2、学者研究表明，中央模式发生器(central pattern generator，cpg)是一种神经网络控制方式，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相位振荡器模型在改变振荡频率瞬间，输出信号(如机器人的关节角度、角速度等控制变量)会发生不顺滑跳变，从而引发加速度的突变而造成步态切换的不协调或者机械结构的损坏故采用传统的cpg相位振荡器模型实现仿生机器人运动控制十分困难，需要设计一种新的方法使其模型拥有在振动频率上平滑过渡的能力。

技术实现思路

1、为了避免现有技术的不足之处，实现对于生物更精确的仿生，本发明提出一种在一定触发条件下具有频率连续光滑过渡特征的cpg相位振荡器模型。该方法的特点是：针对仿生机器人，建立新的方程使频率能够顺滑过渡，实现对相位振荡器对应单元更为合理的控制，进而更为精确的对其进行仿生。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是通过引入频率连续过渡方程，通过过渡系数来导出合理的过渡顺滑程度，从而实现对于仿生机器人更为精确的运动控制。

3、本发明所采用的技术方案包括：

4、1.传统的相位振荡器模型主要由相位方程、振幅方程和输出方程构成，其模型如下：

5、

6、其中，第一个方程为为相位方程，表示第i个单元的相位，vi表示固有频率，表示第j个单元对第i个单元的耦合权重，δφij表示期望相位差；第二个方程振幅方程，li表示幅值，ai表示控制振幅收敛速度的正常数，li表示期望振幅；第三个方程为输出方程，θi表示输出值。其中li、ai、φi、为状态参数，li、vi、δφij为输入的控制参数。

7、2.对于仿生机器人，其肢节的摆动的两个相对方向在许多情况下均有频率不相同的需求，包括但不限于仿生鱼的鳍条的上下拍动、仿生鱼尾鳍的左右摆动、腿式机器人腿部的前后摆动。为了满足该需求，引入了相应的频率表达式：

8、

9、其中，vi_up为上拍频率，vi_down为下拍频率，ti为拍动周期，μi为非对称拍动系数，其定义为鳍条下拍行程时间与拍动周期的比值，故(1-μi)ti为上拍行程时间，μiti为下拍行程时间，ωi为输出信号的角频率，ωi大于0时，表示输出信号的角频率大于0，ωi小于0时表示输出信号的角频率小于0；

10、3.为了避免输出信号频率的突变，本发明引入了频率连续性方程，其数学形式为：

11、

12、化简后为：

13、

14、其中δωi为正常数，代表过渡时期所经过的ωi，用于控制上拍频率与下拍频率之间转换的光滑程度，ωi为输出信号的角频率。

15、4.将带有控制上下拍频率之间转换的光滑程度的系数δωi引入传统的cpg相位振荡器模型中，得到改进后具有频率连续特征的cpg相位振荡器模型为：

16、

17、5.控制系统通过改变第i、j个cpg相位振荡器之间的期望相位差δφij来改变第i、j个cpg单元间的相位关系；通过改变顺滑过渡系数δωi来改变单元频率过渡的顺滑程度；通过改变单元间的相位关系、振幅、频率、偏置以及耦合权重，经过上述方程计算可改变各cpg单元的输出，进而实现各cpg单元对于相应结构的控制，由此实现对于仿生机器人的仿生运动控制。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

19、本发明设计了一种在一定触发条件下具有频率连续光滑过渡特征的cpg相位振荡器模型，实现了输出信号频率的顺滑过渡，具有可控性强，环境适用性强、运动仿真度高的特点。

20、1.传统的cpg相位振荡器模型并未全面的考虑到生物运动的真实情况，在应对输入信号的突变时输出信号也只能表现出突变形式，但大部分的机械结构是很难承受这样的剧烈突变的。而本发明通过引入频率连续性方程，有利于实现仿生机器人的精确运动控制。

21、2.定义了非对称拍动系数μi以及控制频率转换的光滑程度系数δωi，从而做到能根据不同的实际情况选取不同的过渡策略，体现出本发明具有很强的泛用性。

22、3.通过图2可以看出本发明能够通过改变δωi的大小，可实现输出信号由一个频率向另一个频率的快速平滑过渡。

技术特征：

1.一种利用插值过渡的频率连续特征的cpg相位振荡器模型，其特征在于，该模型的表达式为：

2.如权利要求1所述的利用插值过渡的频率连续特征的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，控制系统通过改变第i、j个cpg相位振荡器之间的期望相位差δφij来改变第i、j个cpg单元间的相位关系；通过改变顺滑过渡系数δωi来改变单元频率过渡的顺滑程度；通过改变单元间的相位关系、振幅、频率、偏置以及耦合权重，经过上述方程计算可改变各cpg单元的输出，进而实现各cpg单元对于相应结构的控制，由此实现对于仿生机器人的仿生运动控制。

技术总结
本发明公开了一种具有频率连续特征的中央模式发生器(CPG)相位振荡器模型，针对传统的CPG相位振荡器模型进行了改进，使其具有频率连续光滑过渡的特征。通过构建频率连续过渡方程，设定频率转换顺滑系数Δω<subgt;i</subgt;来实现不同频率之间的顺滑过渡；将带有频率连续特征的方程引入传统的CPG相位振荡器模型中，其可完成具有频率连续光滑过渡特征的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的运动控制，与现有技术相比，本发明构建的CPG相位振荡器模型可实现不同频率之间的顺滑过渡，避免因频率改变引起输出信号的跳变而导致机械结构的损坏。

技术研发人员：曹勇,路阳,王鹏昊,郝艺伟,马淑敏,曹瀛卓,曹永辉,潘光
受保护的技术使用者：西北工业大学宁波研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15