南京理工大學吳益飛獲國家專利權
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龍圖騰網獲悉南京理工大學申請的專利受基底神經節啟發的雙層級CPG的四足機器人步態控制方法獲國家發明授權專利權,本發明授權專利權由國家知識產權局授予,授權公告號為:CN116136692B 。
龍圖騰網通過國家知識產權局官網在2025-08-19發布的發明授權授權公告中獲悉:該發明授權的專利申請號/專利號為:202111363141.6,技術領域涉及:G05D1/49;該發明授權受基底神經節啟發的雙層級CPG的四足機器人步態控制方法是由吳益飛;梁皓;陳慶偉;郭健;李勝;樊衛華;鄭瑞琳;成愛萍;趙鵬設計研發完成,并于2021-11-17向國家知識產權局提交的專利申請。
本受基底神經節啟發的雙層級CPG的四足機器人步態控制方法在說明書摘要公布了:本發明公開了一種受基底神經節啟發的雙層級中樞模式發生器CPG的四足機器人步態控制方法,包括:利用正向運動學以及逆向運動學分別對四足機器人的單腿進行建模;對于每條腿,都使用一個雙層級中樞模式發生器,由節奏生成部分和模式形成部分組成,節奏生成部分主要負責相變,而模式形成部分主要負責各個關節的協同;確定CPG網絡的層級結構和耦合拓撲;并引入了基底神經節的行為選擇模型,針對不同的環境,可利用其選擇出最優步態,提高環境適應能力。與傳統控制方法相比,使用本發明對四足機器人進行控制,具備高度的生物合理性,對外界的干擾具有更強的魯棒性,對地形的適應能力好,可靈活地控制四足機器人的各種運動方式。
本發明授權受基底神經節啟發的雙層級CPG的四足機器人步態控制方法在權利要求書中公布了:1.一種受基底神經節啟發的雙層級CPG的四足機器人步態控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步驟: 步驟1,構建四足機器人的運動學方程,并在ADAMS仿真平臺下驗證所建立模型的準確性; 步驟2,建立雙層CPG神經網絡模型; 步驟3,構建基底神經節的行為選擇模型,根據此模型,四足機器人的行為請求沿著各自通道分別流經基底神經節的各個核團,包括紋狀體Striatum,蒼白球外核GPe,底丘腦核STN,最終到達輸出核團蒼白球內核GPi和黑質網狀部SNr; 步驟2中所述雙層CPG神經網絡模型包括節奏生成RG和模式形成PF兩部分; RG部分由半中心節律發生器組成,包括用于伸展的RG神經元RG-E和用于屈曲的RG神經元RG-F;PF部分包括四個PF神經元,分別控制擺動、著地、站姿以及升空四個連續階段; 具體包括: 步驟2-1,RG和PF部分的伸肌和屈肌神經元以及運動神經元的膜電位表示為: 中間神經元的膜電位表示為: 式中,INap是持續性鈉電流,IK是鉀整流電流,ILeak是泄露電流,ISynE和ISynI分別是突觸興奮性和突觸抑制性電流,C是一種神經元電容,V是神經元的平均膜電壓; 離子電流公式如下: 其中,鉀延遲整流和持續鈉通道的電壓依賴性激活變量分別表示為: 電壓相關失活變量hNaP通過以下微分方程計算: 其中: fVi表示平均群體活動和神經元j的輸出,其定義為S型函數: 式中,E{Na,K,Leak,SynE,SynI}是相應的反轉電位,是相應離子通道的最大電導,aji是神經元j相對于神經元i興奮性突觸輸入的增益,bji是神經元j相對于神經元i抑制性輸入的增益,ci是強直下行信號對神經元的增益,并且w{1,2},i是傳入的對神經元i的反饋feedback{1,2}的增益;τhNapmax是一個時間常數;V12是半激活電壓,k是S型函數增益,Vth是每個神經元的閾值;∑kakifVk+∑mβmifVm顯示了從其他神經元到神經元i的連接并創造了內在的相互協調; 作為伸展反射的伸肌運動神經元的la傳入反饋對支持重量是有效的,具體地,當腿部負重時,來自髖關節伸肌的以下反饋信號被輸入到相應的運動神經元: 式中,Fload是安裝在其腿上的力傳感器測量的每條腿載荷,kv是增益,Inorm2是腿部的驅動電流大小,vnorm2是腿部的驅動電壓大小; 步驟2-2,RG和PF神經元之間的連接參數負責形成基本節律,PF神經元和運動神經元之間的連接參數負責在四個連續階段創建腿部軌跡。
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