本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)和控制科學(xué)技術(shù)，通過基底核網(wǎng)絡(luò)節(jié)律的相互作用產(chǎn)生四足協(xié)調(diào)的基于丘腦底核-蒼白球起搏器的四足機(jī)器人控制器。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)40年代，四足機(jī)器人的研究開始啟動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，四足機(jī)器人的研究已經(jīng)進(jìn)入到廣泛開展的階段。世界上第一臺(tái)四足機(jī)器人是由frank和mcghee于1977年共同開發(fā)制作的，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，但是該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路構(gòu)成，這使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有很大的局限性。

20世紀(jì)90年代，四足機(jī)器人又有了很大的飛躍，其中日本shigeohirose實(shí)驗(yàn)室研制的titan系列機(jī)器人最具有代表性。其腳部裝有傳感器和信號(hào)處理裝置，其腳部裝有記憶合金，可以自動(dòng)判斷與地面接觸的狀態(tài)，并由幾臺(tái)傳感器進(jìn)行對(duì)動(dòng)作的判斷，最終實(shí)現(xiàn)在不同地面上的四足運(yùn)動(dòng)。

2002-2003年，日本電氣通信大學(xué)木村浩等人研制成功了具有狗的外形的機(jī)器人tekken-iv，該機(jī)器人具有生物應(yīng)激性的特點(diǎn)，可以在不規(guī)則地面上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，也可以辨別和躲避障礙，制定運(yùn)動(dòng)路徑。

目前國際上最具有代表性的四足機(jī)器人是美國bostondynamics實(shí)驗(yàn)室研制的big-dog，該機(jī)器人擁有多種步態(tài)，可以在各種惡劣的地面上行進(jìn)，并且可以負(fù)載52kg重量，可以攀爬35度角傾斜的斜坡，該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但是其發(fā)電機(jī)為汽油發(fā)電機(jī)，不易攜帶，受環(huán)境影響較大。

20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)開始對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行研究。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面取得了一定的成果。清華大學(xué)研制的四足機(jī)器人，采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)來模擬四足動(dòng)物的步態(tài)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的四足節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以在復(fù)雜地形上穩(wěn)定行走，具有避障功能。但缺點(diǎn)是退步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過于復(fù)雜，承重能力較小。上海交通大學(xué)研究了jtuwm系列四足機(jī)器人，該機(jī)器人采用開式鏈腿結(jié)構(gòu)，每個(gè)腿有三個(gè)自由度，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。采用力和位置共同控制，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和迷糊算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)角動(dòng)態(tài)行走。但是其行走速度很慢，負(fù)重極小，所以實(shí)際應(yīng)用較差。

當(dāng)代四足機(jī)器人向著智能化方向發(fā)展，神經(jīng)控制和仿生控制成為四足機(jī)器人發(fā)展的主要方向。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究已經(jīng)有30多年的歷史，這種控制方法介于符號(hào)推理和數(shù)值計(jì)算之間，非常適合用作智能控制的算法。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模擬人類大腦的功能，對(duì)信息有較快的處理速度，可以幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)信息旳實(shí)時(shí)處理，并帶給機(jī)器人學(xué)習(xí)能力，因此在機(jī)器人控制中具有廣泛的應(yīng)用前景。丘腦底核(subthalamicnucleus，stn)，蒼白球外側(cè)(externalglobuspallidus，gpe)是大腦亞皮層區(qū)重要的神經(jīng)核團(tuán)基底核

(basalgangliasystem，bgs)的重要組成部分，該部位控制生物運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜功能。如今izhikevich模型可以很好的仿真這兩種神經(jīng)細(xì)胞的生物動(dòng)作電位，產(chǎn)生不同的生物節(jié)律控制信號(hào)，以此為基礎(chǔ)搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并在fpga開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的生物動(dòng)作電位，便可以產(chǎn)生十分接近于生物運(yùn)動(dòng)的節(jié)律信號(hào)，以此搭建機(jī)器人控制器將具有更高級(jí)的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在四足機(jī)器人控制領(lǐng)域的廣泛前景，本發(fā)明的目的是提供一種基于丘腦底核-蒼白球起搏器的四足機(jī)器人控制器。本發(fā)明通過fpga系統(tǒng)模擬這兩種神經(jīng)元核團(tuán)stn和gpe的耦合作用產(chǎn)生控制信號(hào)，并利用四組丘腦底核-蒼白球核團(tuán)的相互作用，產(chǎn)生相互配合的四足控制信號(hào)：齊足跳、行走、奔跑和跳躍，可以實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)節(jié)律的控制。由于神經(jīng)細(xì)胞具有較強(qiáng)的抗干擾性，所以利用stn和gpe細(xì)胞核團(tuán)的耦合產(chǎn)生的神經(jīng)節(jié)律信號(hào)具有更強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一個(gè)基于丘腦底核-蒼白球起搏器的四足機(jī)器人控制器，其中：該控制器包括fpga開發(fā)板、上位機(jī)、四足控制信號(hào)輸出端口模塊、調(diào)劑信號(hào)控制模塊和環(huán)境信號(hào)采集與控制模塊；所述fpga開發(fā)板包括四足耦合作用的步態(tài)控制模塊、調(diào)劑信號(hào)控制模塊和環(huán)境信息采集模塊。

所述環(huán)境信息采集與控制模塊包括相互連接的超聲波傳感器、攝像頭、超聲波信號(hào)傳輸裝置、圖像信號(hào)傳輸裝置、環(huán)境信息采集模塊和步態(tài)選擇模塊；所述調(diào)劑信號(hào)控制模塊包括fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振、分頻器和調(diào)劑信號(hào)模塊；所述四足控制信號(hào)輸出端口模塊包括can總線、串口輸出線路和左后足信號(hào)輸出端口、左前足信號(hào)輸出端口、右前足信號(hào)輸出端口、右后足信號(hào)輸出端口的四組信號(hào)輸出端口；fpga開發(fā)板中四足耦合作用的步態(tài)控制模塊、步態(tài)選擇模塊和調(diào)劑信號(hào)模塊通過verilog語言編寫實(shí)現(xiàn)，分頻器利用quartus中內(nèi)置ip軟核實(shí)現(xiàn)，fpga開發(fā)板與上位機(jī)通過usbblaster進(jìn)行通訊，并通過上位機(jī)操作界面改變四足間耦合參數(shù)、stn與gpe耦合參數(shù)、gpe自耦合參數(shù)的數(shù)值或通過齊足跳、行走、奔跑、跳躍四組步態(tài)選項(xiàng)卡來實(shí)現(xiàn)具體操作與控制。

本發(fā)明的效果是：1.可以實(shí)現(xiàn)仿生學(xué)的四足機(jī)器人控制，通過四組stn與gpe核團(tuán)的耦合作用產(chǎn)生控制信號(hào)。這種四足信號(hào)相互耦合作用較強(qiáng)，更加符合生物學(xué)的四足運(yùn)動(dòng)節(jié)律，也更加穩(wěn)定，當(dāng)耦合參數(shù)改變時(shí)，仍然可以保證四足節(jié)律的穩(wěn)定性和相互的相位關(guān)系穩(wěn)定；2.該系統(tǒng)具有與環(huán)境的交互能力，fpga芯片通過超聲波傳感器和攝像頭以及外部信號(hào)采集處理模塊相連接，通過超聲波傳感器了解前方障礙，通過攝像頭捕捉周圍環(huán)境，尋找運(yùn)動(dòng)路線，做到四足機(jī)器人控制器自動(dòng)判斷行走路線和步態(tài)控制；3.該發(fā)明stn與gpe核團(tuán)的耦合參數(shù)、四組核團(tuán)之間的耦合參數(shù)以及調(diào)劑信號(hào)的頻率都可以通過上位機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，在上位機(jī)的控制作用和四足機(jī)器人控制器的自動(dòng)控制共同作用下，來控制和協(xié)調(diào)四足機(jī)器人的控制信號(hào)節(jié)律；4.上位機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示四足機(jī)器人的四組控制節(jié)律信號(hào)，可以實(shí)時(shí)了解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，方便調(diào)整控制信號(hào)的頻率和各耦合參數(shù)的具體數(shù)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為四足耦合作用的步態(tài)控制模塊；

圖3為單足的stn與gpe耦合作用模塊；

圖4為神經(jīng)元的仿真模型；

圖5為環(huán)境采集與控制模塊；

圖6為調(diào)劑信號(hào)控制模塊；

圖7為四足控制信號(hào)輸出端口；

圖8為上位機(jī)操作界面。

圖中：

1.fpga開發(fā)板；2.上位機(jī)；3.四足控制信號(hào)輸出端口模塊；4.調(diào)劑信號(hào)控制模塊；5.環(huán)境采集與控制模塊；6.超聲波傳感器；7.攝像頭；8.外部環(huán)境信息；9.usbblaster；10.信號(hào)采集端口；11.四足耦合作用的步態(tài)控制模塊；12.四足間耦合參數(shù)；13.單足控制器左后足；14.單足控制器左前足；15.單足控制器右前足；16.單足控制器右后足；17.stn核團(tuán)仿真模型；18.gpe核團(tuán)仿真模型；19.stn與gpe耦合參數(shù)；20.gpe自耦合參數(shù)；21.神經(jīng)元仿真模型；22.神經(jīng)元模型初值輸入；23.神經(jīng)元模型膜電壓輸出；24.超聲波信號(hào)傳輸裝置；25.圖像信號(hào)傳輸裝置；26.環(huán)境信息采集模塊；27.串口通訊線路；28.步態(tài)選擇模塊；29.fpga內(nèi)部通訊路線；30.fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振；31.分頻器；32.調(diào)劑信號(hào)模塊；33.can總線；34.串口輸出線路；35.左后足信號(hào)輸出端口；36.左前足信號(hào)輸出端口；37.右前足信號(hào)輸出端口；38.右后足信號(hào)輸出端口；39.上位機(jī)操作界面；40.界面基本操作；41.四組控制信號(hào)觀測(cè)窗；42.步態(tài)選項(xiàng)卡；43.四足間耦合參數(shù)矩陣；44.stn與gpe耦合參數(shù)輸入；45.gpe自耦合參數(shù)輸入；46.運(yùn)動(dòng)頻率參數(shù)輸入；47.界面操作選項(xiàng)；

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基于丘腦底核-蒼白球起搏器的四足機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)和工作方式加以說明。

本發(fā)明的基于stn-gpe起搏器的四足機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)思路是在fpga系統(tǒng)中搭建stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18，之后通過stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18的相互耦合作用19以及gpe核團(tuán)仿真模型18的自耦合作用20，產(chǎn)生一組節(jié)律穩(wěn)定的神經(jīng)信號(hào)，作為四足機(jī)器人的單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16。一共構(gòu)建四組單足控制模塊13，將每一組的輸出都通過一定比例與其它三組控制模塊耦合，通過不同的四足間耦合參數(shù)12和不同的耦合關(guān)系，產(chǎn)生不同節(jié)律的四組控制信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生不同步態(tài)的四足控制信號(hào)：齊足跳、行走、奔跑和跳躍。同時(shí)通過can總線33將四足控制信號(hào)傳輸?shù)剿淖憧刂菩盘?hào)輸出端口模塊3，通過四個(gè)不同的輸出端口輸出四足信號(hào)。fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振30產(chǎn)生50mhz的時(shí)鐘信號(hào)，之后通過quartus中的ip軟核中的分頻器31，對(duì)頻率進(jìn)行分頻處理，之后再通過verilog語言寫成的調(diào)劑信號(hào)模塊32，產(chǎn)生所需要頻率的調(diào)劑信號(hào)，輸入給四足機(jī)器人的單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16模塊，進(jìn)而控制單足信號(hào)的頻率，產(chǎn)生不同速度的四足運(yùn)動(dòng)節(jié)律信號(hào)。該系統(tǒng)通過超聲波傳感器6和攝像頭7采集外部環(huán)境信息8，通過超聲波信號(hào)傳輸裝置24和圖像信號(hào)傳輸裝置25將外部信息傳輸進(jìn)入環(huán)境信息采集模塊26，對(duì)信息進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過串口通訊線路27，將數(shù)字化的信息輸入給步態(tài)選擇模塊28，根據(jù)外部環(huán)境判斷所采用的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)四足控制器的耦合參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生相應(yīng)的步態(tài)變化。上位機(jī)2通過usbblaster9與fpga開發(fā)板1保持通訊，對(duì)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的調(diào)劑信號(hào)模塊32、步態(tài)選擇模塊28、四足間耦合參數(shù)12以及fpga開發(fā)板1中stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20進(jìn)行控制和調(diào)整，保證四足機(jī)器人控制信號(hào)穩(wěn)定執(zhí)行。同時(shí)上位機(jī)2還通過信號(hào)采集端口10采集四足控制信號(hào)的具體波形并顯示在上位機(jī)控制界面，以方便實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人是否正常運(yùn)動(dòng)。

所述的四足耦合作用的步態(tài)控制模塊11由單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16構(gòu)成，并通過四足間耦合參數(shù)12來互相耦合互相影響形成仿真四足動(dòng)物的四足運(yùn)動(dòng)節(jié)律。其中單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16模塊由verilog語言編寫的stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18以及stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20共同組成，這兩種神經(jīng)核團(tuán)模型采用izhikevich模型的數(shù)學(xué)模型搭建，并通過runge-kutta進(jìn)行離散化處理，采用流水線的方法進(jìn)行搭建，使復(fù)雜的常微分方程可以并行計(jì)算。流水線方法的思路就是通過延時(shí)寄存器將數(shù)學(xué)模型分散為多個(gè)子運(yùn)算過程，這樣在每個(gè)周期之中各個(gè)子運(yùn)算過程可以同時(shí)進(jìn)行不同神經(jīng)元核團(tuán)、不同時(shí)刻的的計(jì)算和仿真。單獨(dú)流水線計(jì)算的結(jié)果將會(huì)和另一參數(shù)的流水線結(jié)果相互耦合產(chǎn)生，在兩組參數(shù)的共同作用下，產(chǎn)生stn或gpe核團(tuán)的輸出膜電位仿真信號(hào)。再將stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18通過stn與gpe耦合參數(shù)19進(jìn)行相互耦合作用，同時(shí)讓gpe核團(tuán)仿真模型18通過gpe自耦合參數(shù)20進(jìn)行自耦合作用，在這兩種模擬神經(jīng)元核團(tuán)共同的耦合作用下，使stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18可以仿真人腦的工作方式產(chǎn)生和生理控制信號(hào)相類似的膜電位信號(hào)，我們將此信號(hào)作為單足控制信號(hào)，來進(jìn)行單足運(yùn)動(dòng)的節(jié)律控制。

所述環(huán)境采集與控制模塊5由超聲波傳感器6、攝像頭7、信號(hào)采集端口10和四足耦合作用的步態(tài)控制模塊11組成。所述超聲波傳感器6采用ub2000-f42-i-v15，攝像頭采用logitechpro9000攝像頭。其中四足耦合作用的步態(tài)控制模塊11由verilog語言寫成。超聲波傳感器6采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線前方障礙，攝像頭7采集周圍的外部環(huán)境信息8進(jìn)行處理，并通過四足耦合作用的步態(tài)控制模塊11判斷具體步態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向。

所述調(diào)劑信號(hào)控制模塊4由fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振30、分頻器31和調(diào)劑信號(hào)模塊32組成。其中調(diào)劑信號(hào)模塊32由verilog語言寫成，分頻器31利用quartus中的ip軟核產(chǎn)生。fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振30產(chǎn)生50mhz的時(shí)鐘信號(hào)，分頻器31對(duì)其進(jìn)行分頻處理，在此基礎(chǔ)上，調(diào)劑信號(hào)模塊32將時(shí)鐘信號(hào)頻率調(diào)整為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需節(jié)律，輸出到單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16之中，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)幾率。

所述四足控制信號(hào)輸出端口模塊3是由can總線33、串口輸出線路34、左后足信號(hào)輸出端口35、左前足信號(hào)輸出端口36、右前足信號(hào)輸出端口37和右后足信號(hào)輸出端口38構(gòu)成。通過can總線33將四足控制信號(hào)分離成具有運(yùn)動(dòng)節(jié)律的四組控制信號(hào)，通過四組輸出的端口作為四足控制信號(hào)的輸出裝置。

所述上位機(jī)操作界面39：上位機(jī)操作界面39由qt語言編寫實(shí)現(xiàn)，通過visa(virtualinstrumentsoftwarearchitecture，虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu))與上位機(jī)2相連，通過usbblaster9與fpga開發(fā)板1相連接，并可以寫入stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20、四足間耦合參數(shù)12以及調(diào)劑信號(hào)頻率和步態(tài)選擇信息等數(shù)據(jù)，來控制步態(tài)的頻率與相位關(guān)系，調(diào)節(jié)四足間節(jié)律關(guān)系。同時(shí)上位機(jī)2還可以通過串口輸出線路34來讀取四足控制信號(hào)輸出端口模塊3的信息，實(shí)時(shí)觀察四足控制信號(hào)的具體波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)四足控制機(jī)器人節(jié)律的監(jiān)控作用。

本發(fā)明的基于stn-gpe起搏器的四足機(jī)器人控制器，由fpga開發(fā)板1、上位機(jī)2、四足控制信號(hào)輸出端口模塊3、環(huán)境采集與控制模塊5組成。其中fpga開發(fā)板1用來實(shí)現(xiàn)四足耦合作用的步態(tài)控制模塊11、調(diào)劑信號(hào)控制模塊4以及環(huán)境采集與控制模塊5中步態(tài)選擇模塊29。上位機(jī)2用來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作界面39，以及步態(tài)選擇、頻率控制耦合參數(shù)確定和對(duì)步態(tài)信號(hào)進(jìn)行觀察的作用。四足控制信號(hào)輸出端口模塊3則實(shí)現(xiàn)四足控制信號(hào)的輸出功能。環(huán)境采集與控制模塊5實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境信息的提取和自動(dòng)決策功能。

如圖1所示，對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，fpga開發(fā)板1采用altera公司生產(chǎn)的stratixⅲep3se260f1152c4n芯片，根據(jù)izhikevich數(shù)學(xué)模型，采用離散法搭建stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18，并通過耦合作用產(chǎn)生單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16，再利用四組控制信號(hào)的相互作用，產(chǎn)生不同相位的四足節(jié)律信號(hào)：齊足跳、行走、奔跑和跳躍。環(huán)境采集與控制模塊5通過超聲波傳感器6和攝像頭7采集環(huán)境信息，并對(duì)步態(tài)進(jìn)行選擇。調(diào)劑信號(hào)控制模塊4通過fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振30產(chǎn)生50mhz的原始時(shí)鐘信號(hào)，通過ip軟核產(chǎn)生的分頻器31，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻作用，并通過verilog編寫的調(diào)劑信號(hào)模塊32對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使其可以產(chǎn)生所需的運(yùn)動(dòng)節(jié)律。上位機(jī)2與fpga開發(fā)板1保持通訊，通過上位機(jī)操作界面39實(shí)現(xiàn)步態(tài)的選擇、耦合參數(shù)的選取和輸出信號(hào)的觀察與監(jiān)控。四組控制信號(hào)輸出端口模塊3利用can總線33將四足信號(hào)分別傳送到四組信號(hào)輸出端口：左后足信號(hào)輸出端口35、左前足信號(hào)輸出端口36、右前足信號(hào)輸出端口37、右后足信號(hào)輸出端口38，從而產(chǎn)生模仿生物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的四足運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。

如圖2所示，四足耦合作用的步態(tài)控制模塊11由單足控制器左后足13，單足控制器左前足14，單足控制器右前足,15和單足控制器右后足16四部分組成，每個(gè)單足控制器結(jié)構(gòu)完全一樣，都是由stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18組成，四組控制器的耦合參數(shù)也保持一致，保證單足步態(tài)波形的一致性。每個(gè)單足控制器輸出一組與生物單足運(yùn)動(dòng)節(jié)律的相類似的電壓信號(hào)，這電壓信號(hào)除輸出到單足信號(hào)端口外，還通過三組四足間耦合參數(shù)12參數(shù)作用下，分別傳輸給其他三組控制器，通過改變這包含12個(gè)參數(shù)的耦合矩陣可以產(chǎn)生四組不同的運(yùn)動(dòng)步態(tài)：齊足跳、行走、奔跑和跳躍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步態(tài)的控制。

如圖3所示，單足控制器左后足13、單足控制器左前足14、單足控制器右前足15、單足控制器右后足16由stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18以及stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20共同組成。四組控制器完全一致，stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20也完全相同，保證每一個(gè)單足控制器的輸出信號(hào)波形一致。stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20則是模仿底丘腦核的作用機(jī)理，stn神經(jīng)元核團(tuán)對(duì)gpe神經(jīng)元核團(tuán)起到起到促進(jìn)作用，gpe神經(jīng)元核團(tuán)對(duì)stn神經(jīng)元核團(tuán)和自身有抑制作用。這兩組耦合參數(shù)通過模仿這兩種神經(jīng)元核團(tuán)的促進(jìn)和抑制機(jī)制來模仿生物運(yùn)動(dòng)節(jié)律，產(chǎn)生仿生學(xué)信號(hào)。

如圖4所示，神經(jīng)元系統(tǒng)21如stn核團(tuán)仿真模型17和gpe核團(tuán)仿真模型18利用izhikevich模型進(jìn)行搭建，由寄存器、移位器和乘法器等結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)izhikevich模型的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。stn核團(tuán)仿真模型17與gpe核團(tuán)仿真模型18結(jié)構(gòu)基本一致，只有參數(shù)初始值不同。神經(jīng)元模型初值輸入22進(jìn)入流水線結(jié)構(gòu)，通過izhikevich模型的計(jì)算作用產(chǎn)生神經(jīng)元模型膜電壓輸出23，并與其他輸出信號(hào)進(jìn)行耦合。

如圖5所示，環(huán)境采集與控制模塊5由包括超聲波傳感器6、攝像頭7、超聲波信號(hào)傳輸裝置24、圖像信號(hào)傳輸裝置25、環(huán)境信息采集模塊26號(hào)、和步態(tài)選擇模塊28。超聲波傳感器6和攝像頭7采集外部環(huán)境信息8，并通過超聲波信號(hào)傳輸裝置24和圖像信號(hào)傳輸裝置25傳輸?shù)江h(huán)境信息采集模塊26，在環(huán)境信息采集模塊26進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過串口通訊線路27傳輸如fpga開發(fā)板1，在fpga開發(fā)板1中的步態(tài)選擇模塊28對(duì)輸入信息進(jìn)行判斷，并選擇具體步態(tài)，并改變四足間耦合參數(shù)12，實(shí)現(xiàn)步態(tài)的改變。

如圖6所示，調(diào)劑信號(hào)控制模塊4包括fpga開發(fā)板內(nèi)置晶振30、分頻器31和信號(hào)調(diào)劑模塊32，這三部分都位于fpga開發(fā)板1中，晶振頻率為50mhz，將晶振信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)，通過quartus內(nèi)置軟核產(chǎn)生的分頻器31的4分頻作用，產(chǎn)生12.5mhz的時(shí)鐘信號(hào)，之后通過verilog語言編寫的信號(hào)調(diào)劑模塊32，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生所需頻率的，所需頻率由上位機(jī)操作界面39輸入。

如圖7所示，四足控制信號(hào)輸出端口模塊3包含can總線33、串口輸出線路34、左后足信號(hào)輸出端口35、左前足信號(hào)輸出端口；36、右前足信號(hào)輸出端口37和右后足信號(hào)輸出端口38組成。can總線33將產(chǎn)生的四足控制信號(hào)分配給四個(gè)串口輸出線路34，四個(gè)串口輸出線路34再把信號(hào)傳輸?shù)剿膫€(gè)信號(hào)輸出端口，進(jìn)而產(chǎn)生四足機(jī)器人的控制信號(hào)。

所述上位機(jī)2通過usbblaster9與fpga開發(fā)板1進(jìn)行通訊，控制fpga開發(fā)板1中四足間耦合參數(shù)12、stn與gpe耦合參數(shù)19、gpe自耦合參數(shù)20，具體步態(tài)選擇信息和運(yùn)動(dòng)頻率。上位機(jī)還通過信號(hào)采集端口與四足控制信號(hào)輸出端口模塊3相連接，實(shí)時(shí)讀取四足控制信號(hào)波形。

如圖8所示，上位機(jī)操作界面39通過qt語言編寫。上位機(jī)操作界面39包含界面的基本操作40、四組控制信號(hào)觀測(cè)窗41、步態(tài)選項(xiàng)卡42、四足間耦合參數(shù)矩陣43、stn與gpe耦合參數(shù)輸入44、gpe自耦合參數(shù)輸入45、運(yùn)動(dòng)頻率參數(shù)輸入46以及界面操作選項(xiàng)47。其中界面基本操作39包含開始和暫停按鈕，可以控制程序得啟停，可以通過進(jìn)度條觀測(cè)程序運(yùn)行情況，同時(shí)還包刷新、分析、幫助和顯示，方便界面進(jìn)行基本操作。四足控制信號(hào)觀測(cè)窗41則用來顯示上位機(jī)2通過信號(hào)采集端口10讀取的四足控制信號(hào)波形，方便對(duì)機(jī)器人運(yùn)作的監(jiān)控。步態(tài)選項(xiàng)卡42包含四組步態(tài)選項(xiàng)：齊足跳、行走、奔跑和跳躍，可以通過選擇不同的選項(xiàng)卡來使機(jī)器人利用不同步態(tài)運(yùn)動(dòng)。四足間耦合參數(shù)矩陣43可以輸入四足間耦合參數(shù)12，該矩陣代表每個(gè)單足控制信號(hào)對(duì)其他三組信號(hào)的影響，這個(gè)矩陣必須為對(duì)稱矩陣。stn與gpe耦合參數(shù)輸入44和gpe自耦合參數(shù)輸入45可以在上位機(jī)輸入stn與gpe耦合參數(shù)19和gpe自耦合參數(shù)20，并通過usbblaster9輸入到fpga開發(fā)板1控制單足控制器節(jié)律。運(yùn)動(dòng)頻率參數(shù)輸入46則輸入四足運(yùn)動(dòng)的頻率到調(diào)劑信號(hào)模塊，產(chǎn)生所需頻率的調(diào)劑信號(hào)32。界面操作選項(xiàng)47則控制界面數(shù)據(jù)的保存和退出操作界面。