[发明专利]基于多巴胺神经元仿生CPG系统的机械臂控制器

说明书

本发明涉及一种基于多巴胺神经元仿生CPG系统的机械臂控制器，在FPGA开发板上搭建多巴胺神经元仿真模型，之后通过多巴胺神经元仿真模型与另一个多巴胺神经元仿真模型通过耦合突触电流连接模块组成多巴胺神经元仿生CPG网络模块，通过上位机对机械臂关节期望移动轨迹进行设置，并通过上位机计算机械臂关节实际移动轨迹与期望轨迹之间的扭矩误差，并将其传输给误差校正反馈控制信号模块处理，之后传输给控制信号调制模块，计算对CPG网络模块的相应输入刺激，该CPG网络模块通过相互耦合的多巴胺神经元仿真模型模块产生输出控制信号，经控制信号输出模块输出到机械臂并通过USB接口模块传递到上位机中显示。

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术和控制科学技术，特别是一种基于FPGA的多巴胺神经元仿生CPG系统机械臂控制器。

背景技术

机械臂作为机器人设计结构中的重要组成部分，在工业控制、医学治疗疗、国防科技、集成电路生产等领域都起着重要的作用。随着计算机技术的飞速发展，对机械臂的控制研究也越来越广泛。工业制造中生产汽车的机械臂是一种高度耦合非线性的复杂系统，在汽车装配中被广泛使用。2000年，由美国麻省理工大学研制的达芬奇外科手术系统就是通过对机械手臂的指令控制完成各种复杂的外科手术。该系统中的机械臂精度极高，能够在非常小的区域内进行准确的切割。机械臂控制研究作为一个新兴领域，集合了控制科学，机械工程，计算机以及人工智能等诸多学科。

当代机械臂的控制研究朝着智能化的方向不断发展，基于神经控制和仿生控制的生物控制已经成为机械臂控制的主要方向。生物中枢模式发生器(central patterngenerator,CPG)现已被证明在许多无脊椎与脊椎动物中存在并对动物运动控制机理起着重要影响。基于生物中枢模式发生器原理的控制是一种仿生的控制方法，通过对一些生物控制模型的模拟仿真来提高控制的水平与能力，非常适合作为智能控制的方法。位于腹侧中脑被盖区的多巴胺神经系统是用于控制运动和认知行为神经回路的基本组成部分。多巴胺(Dopamine)神经元模型可以很好的仿真该神经细胞的生物动作电位与电生理特性，同时基于多巴胺神经元的CPG系统也能产生不同的控制信号。以此为基础在FPGA开发板上实现该复杂的仿生CPG系统，这对于高效仿生控制机械臂有着重要的作用。

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技术在近些年实现生物神经系统的计算神经科学领域逐渐受到青睐，相比于其他硬件实现的方法，FPGA基于并行处理计算、集成度高、可重复配置、低功耗等优点，在实现仿生CPG系统以控制机械臂方面有着重要的应用价值。

现有的技术还处于初级阶段，因此仍存在以下缺点：尚无基于多巴胺神经元仿生CPG系统的机械臂控制器；人机界面尚未完善，无法对机械臂进行实时控制操作与数据分析，因此对机械臂的仿生控制比较困难。

发明内容

考虑到仿生控制在机械臂控制领域的广泛前景，本发明的目的是提供一种基于多巴胺神经元仿生CPG系统的机械臂控制器。本发明通过FPGA系统模拟机械臂关节误差反馈信号下多巴胺神经元仿生CPG系统的相互耦合产生关节扭矩控制信号，可以实现对机械臂给定轨迹运动的控制。由于相互耦合的多巴胺神经元组成的CPG系统具有较强抗干扰性，在外界扰动信号作用下可以快速恢复，因此利用相互耦合的多巴胺神经元组成的仿生CPG系统产生的神经控制信号具有更强的鲁棒性和稳定性。技术方案如下：