一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )感知器的雙足行走機器人

1引言

人作為雙足行走生物，是在長(cháng)期的生物進(jìn)化過(guò)程中形成的。人能夠不自覺(jué)地保持身體的直立性和平衡性，不論是在靜止不動(dòng)還是在行走過(guò)程中。一旦失去平衡，人就會(huì )產(chǎn)生相應的動(dòng)作，使身體保持平衡。例如，在靜止時(shí)，當人的重心偏向一側時(shí)，就會(huì )不自覺(jué)地向該側跨出一腳，以使重心位置落于支撐面內。這里，支撐面定義為兩腳之間的面積以及兩腳的面積。當重心落于支撐面內時(shí)，就不會(huì )傾倒。再如，在行走過(guò)程中，人的重心不斷向前移動(dòng)，超出了兩腳尖的位置，迫使人向前邁出腳，這樣才使人的行走成為可能，使人的行走自然流暢。因此，控制機器人重心的位置及重心位置的速度，是機器人保持穩定及產(chǎn)生有效步態(tài)的關(guān)鍵。本文就是控制機器人的重心位置，使其落于支撐面內，從而達到了機器人穩定性控制的目的。機器人的重心可以由安裝在機器人腳底的力傳感器測知。當重心偏向一側，這一側的傳感器輸出偏大，相反的一側的力傳感器等于零，或趨近于零。本文用感知器來(lái)感知機器人重心位置的變化，當重心超出支撐面時(shí)，系統將發(fā)出動(dòng)作指令，使機器人保持穩定。

本文采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )感知器(Perception)是最簡(jiǎn)單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，它是F??Rosenblatt于1958年提出的具有自學(xué)習能力的感知器。在這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中，記憶的信息存儲在連接權上，外部刺激通過(guò)連接通道自動(dòng)激活相應的神經(jīng)元，以達到自動(dòng)識別的目的。感知器模型如圖1所示，通常由感知層S(Sensory)、連接層A(Association)和反應層構成R(Response)。

2 人工神經(jīng)元感知器的學(xué)習算法

可以用下面的方法訓練網(wǎng)絡(luò )：

(1)初始化S層至連接層(A層)的連接權矩陣

中的各個(gè)元素及Ａ層各單元的閥值賦予［－１，＋１］之間的隨機值，一般情況下vij＝１θj＝０i＝１，２，Λ，pj＝１，２，Λ，n且在整個(gè)學(xué)習過(guò)程中保持固定不變。
Ａ層至輸出層(R層)的連接權矩陣

中的各個(gè)元素及??Ｓ層各單元的閥值θ＝［θ１θ２Λθq］賦予［-1，+1］之間的隨機值。
(2)訓練隨機選取一輸入、輸出模式對(Sk,Yk)，這里k=1，2，Λ，m時(shí)，網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行以下步驟的訓練。

第一步，計算連接層各單元的輸出

第二步，以連接層的輸出作為輸入層的各單元的輸入計算輸出層的實(shí)際輸出

在學(xué)習過(guò)程中，當所有的m個(gè)樣本模式對都提供給網(wǎng)絡(luò )學(xué)習一遍后，還需從頭再繼續提供給網(wǎng)絡(luò )學(xué)習。直到達到最大學(xué)習次數，以防止發(fā)散或無(wú)限震蕩，或者滿(mǎn)足誤差限。

3 計算機控制系統

機器人重心位置是由腳底的力傳感器測定的。當某一側的傳感器輸出值趨于零或小于預定的值時(shí)，說(shuō)明重心已經(jīng)偏向相反的另一側，機器人處于危險狀態(tài)。這時(shí)機器人就應該產(chǎn)生一定的動(dòng)作，向另一側跨出一腳，以使機器人的重心位于支撐面內。整個(gè)控制系統如圖2所示

其中，y(t)是傳感器輸出向量，為模擬量，經(jīng)采樣、Ａ／Ｄ轉換后為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )感知器的輸入向量y(kt)。

本文取感知器的輸入層單元與輸出層單元的個(gè)數相同。感知器經(jīng)過(guò)訓練好以后，系統將時(shí)實(shí)監控機器人的重心位置，當重心偏向某側，相反側的力傳感器的輸入小于設定的安全值時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )相應于該側的輸出為1，其余均為0，系統將根據神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸出，做出相應的動(dòng)作指令；當傳感器的輸入均大于設定安全值時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸出均為0，系統不產(chǎn)生任何動(dòng)作指令。

4 仿真

本文假設在機器人的腳底安裝有力傳感器，左腳的后部、左部和前部各一個(gè)，右腳的前部、右部和后部各一個(gè)。依次編號為pi,i=1,2,Λ 6，構成輸入向量

P＝［p１，p2，p3，p4，p5，p6］Ｔ

假設機器人的重是100??kgf，當機器人的腳底的傳感器輸出為2kgf，即認為機器人處于危險狀態(tài)。設神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )感知器的輸入為

對應的理想輸出為

即認為力傳感器的輸出為2kgf時(shí)機器人處于危險狀態(tài)，傳感器的輸出為3kgf時(shí)，認為機器人處于安全狀態(tài)。連接權值和閥值的初始值分別是

經(jīng)過(guò)n=1335次迭貸，輸出達到期望值。連接權值和閥值分別為

5 結論

本文就雙足行走機器人的穩定性控制提出了一種新的控制方法，它是建立在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )感知器上。試驗表明，該方法簡(jiǎn)單易行。