一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器的雙足行走機(jī)器人穩(wěn)定性控制方法

摘 要：本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器和安裝在機(jī)器人腳底的力傳感器，測知機(jī)器人重心的位置，控制機(jī)器人重心在雙腳的支撐面內(nèi)，以使機(jī)器人穩(wěn)定。本文提出的雙足行走機(jī)器人穩(wěn)定性控制方案是簡單易行的。
關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 感知器 雙足行走機(jī)器人 穩(wěn)定性控制

1 引言
人作為雙足行走生物，是在長期的生物進(jìn)化過程中形成的。人能夠不自覺地保持身體的直立性和平衡性，不論是在靜止不動(dòng)還是在行走過程中。一旦失去平衡，人就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，使身體保持平衡。例如，在靜止時(shí)，當(dāng)人的重心偏向一側(cè)時(shí)，就會(huì)不自覺地向該側(cè)跨出一腳，以使重心位置落于支撐面內(nèi)。這里，支撐面定義為兩腳之間的面積以及兩腳的面積。當(dāng)重心落于支撐面內(nèi)時(shí)，就不會(huì)傾倒。再如，在行走過程中，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(jī)器人重心的位置及重心位置的速度，是機(jī)器人保持穩(wěn)定及產(chǎn)生有效步態(tài)的關(guān)鍵。本文就是控制機(jī)器人的重心位置，使其落于支撐面內(nèi)，從而達(dá)到了機(jī)器人穩(wěn)定性控制的目的。機(jī)器人的重心可以由安裝在機(jī)器人腳底的力傳感器測知。當(dāng)重心偏向一側(cè)，這一側(cè)的傳感器輸出偏大，相反的一側(cè)的力傳感器等于零，或趨近于零。本文用感知器來感知機(jī)器人重心位置的變化，當(dāng)重心超出支撐面時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出動(dòng)作指令，使機(jī)器人保持穩(wěn)定。
本文采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知器(Perception)是最簡單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是FRosenblatt于1958年提出的具有自學(xué)習(xí)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(chǔ)在連接權(quán)上，外部刺激通過連接通道自動(dòng)激活相應(yīng)的神經(jīng)元，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)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(yīng)層構(gòu)成R(Response)。

2 人工神經(jīng)元感知器的學(xué)習(xí)算法
可以用下面的方法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)：
(1)初始化S層至連接層(A層)的連接權(quán)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(jī)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(xí)過程中保持固定不變。
Ａ層至輸出層(R層)的連接權(quán)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(jī)值。