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        基于Arduino仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧的研究?

        2019-10-08 07:13:14
        計算機(jī)與數(shù)字工程 2019年9期
        關(guān)鍵詞:生物實驗

        徐 偉

        (江漢大學(xué)工程訓(xùn)練中心 武漢 430056)

        1 引言

        縱觀仿生機(jī)器人發(fā)展歷程,到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了三個階段。第一階段是原始探索時期,該階段主要是生物原型的原始模仿,如原始的飛行器,模擬鳥類的翅膀撲動,該階段主要靠人力驅(qū)動。第二個階段是宏觀仿形與運(yùn)動仿生階段,20世紀(jì)中后期,由于計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及驅(qū)動裝置的革新,主要是利用機(jī)電系統(tǒng)實現(xiàn)諸如行走、跳躍、飛行等生物功能,并實現(xiàn)了一定程度的人為控制。進(jìn)入21世紀(jì),隨著人類對生物系統(tǒng)功能特征、形成機(jī)理認(rèn)識的不斷深入,以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,仿生機(jī)器人進(jìn)入了第三個階段,機(jī)電系統(tǒng)開始與生物性能進(jìn)行部分融合,如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿生材料的融合以及仿生驅(qū)動的運(yùn)用[1]。

        當(dāng)前,隨著生物機(jī)理認(rèn)識的深入、智能控制技術(shù)的發(fā)展,仿生機(jī)器人正向第四個階段發(fā)展,即結(jié)構(gòu)與生物特性一體化的類生命系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)仿生機(jī)器人不僅具有生物的形態(tài)特征和運(yùn)動方式,同時具備生物的自我感知、自我控制等性能特性,更接近生物原型[2]。

        在實驗室利用傳感器模擬不同外界刺激,實現(xiàn)生物的自我感知、自我控制特性是本文仿生機(jī)器人設(shè)計的突破點(diǎn),也是一個難題。

        2 神經(jīng)反射弧的生物學(xué)基礎(chǔ)

        21世紀(jì)初,俄羅斯生理學(xué)家巴甫洛夫在研究條件反射的過程中,創(chuàng)立了高級神經(jīng)活動學(xué)說,即反射弧理論。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下,機(jī)體對刺激所做出的規(guī)律性應(yīng)答反應(yīng)稱為反射[3]。連接肌肉中感受器和脊髓的弧線或路徑穿過間隙,回到肌肉纖維,稱之為反射?。╮eflex arc)[4]。

        巴甫洛夫認(rèn)為反射是有機(jī)體與環(huán)境取得平衡的基本形式,反射弧是反射的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和生理基礎(chǔ)。反射弧通常由感受器、傳入神經(jīng)、反射中樞、傳出神經(jīng)和效應(yīng)器五個部分組成,包括從接受刺激到發(fā)生反應(yīng)整個神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的路徑。反射活動的完成依賴于反射弧的完整性,如果反射弧中任何一環(huán)節(jié)被破壞,反射活動都不能進(jìn)行[5]。

        3 仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧實驗實現(xiàn)目標(biāo)

        按照神經(jīng)反射弧的生物學(xué)理論,對仿生機(jī)器人的神經(jīng)反射弧實驗確定實驗?zāi)繕?biāo),本實驗既要使仿生機(jī)器人能實現(xiàn)神經(jīng)反射弧的基本傳導(dǎo)功能,體現(xiàn)神經(jīng)反射弧的絕對不應(yīng)期和相對不應(yīng)期。同時,還要體現(xiàn)仿生機(jī)器人的“大腦”對反射弧產(chǎn)生的抑制作用和“腎上腺素”對反射弧的激勵作用,具體功能如下:

        1)反射弧的基本傳導(dǎo)功能。反射弧的傳導(dǎo)是單向連接,從肌肉感受器到感覺傳導(dǎo)纖維,再通過脊髓間隙或者神經(jīng)突觸到達(dá)運(yùn)動纖維,之后穿過肌肉神經(jīng)結(jié)點(diǎn)最終傳遞到肌肉纖維[6]。肌肉感受器和與之相關(guān)的反射弧有不同的閾值,與數(shù)字電路類似,一旦感受器閾值達(dá)到,感受器就被觸發(fā)[7]。

        2)反射弧的絕對不應(yīng)期和相對不應(yīng)期。反射弧有一個絕對不應(yīng)期(absolute refractory period)或者說在觸發(fā)后需要經(jīng)過一定的時間才能再次觸發(fā),可以把這一段時間認(rèn)為是感受器的重啟期。在絕對不應(yīng)期后,感受器對刺激是不敏感的。隨后,反射弧呈現(xiàn)出一個相對不應(yīng)期(relative refractory period)[8]。即在絕對不應(yīng)期后,感受器的不靈敏程度呈指數(shù)形式減弱,也即感受器靈敏程度應(yīng)該是逐步加強(qiáng),如圖1所示。

        3)反射弧實驗的第三個特點(diǎn)是來自大腦的另外一些神經(jīng)纖維。當(dāng)它們被激活時,能夠抑制(inhibit)反射弧的行為,按時或者直接命令運(yùn)動系統(tǒng)采取一些措施或者直接停止某種錯誤的反射行為[9]。但反射行為的速度遠(yuǎn)大于可疑行為的速度,因為刻意行為的速度可能涉及到各種信號,信號在大腦中要穿過成百上千的連接點(diǎn)或神經(jīng)突觸(neural synapse),而反射弧只設(shè)計一堆局部神經(jīng)元,所以刻意行為要比反射弧緩慢得多[10]。所以在后面程序編譯中,定義抑制常量(globalInhibition)要略大于興奮常量(globalExcitation)。

        圖1 反射弧的絕對不應(yīng)期和相對不應(yīng)期

        4)反射弧實驗的第四個特點(diǎn)是腎上腺素的參與。腎上腺素是人體經(jīng)歷某種刺激后,由腎上腺分泌的激素。腎上腺素的作用比較復(fù)雜,而且對于不同的器官的影響也大相庭徑??傮w來說,腎上腺素能暫時增強(qiáng)肌肉收縮力并增強(qiáng)忍耐力[11]。

        一般電化學(xué)信號由大腦或感受器發(fā)出,最終傳遞到神經(jīng)纖維,但腎上腺激素與人體神經(jīng)系統(tǒng)的電化學(xué)信號不同,它并不生成信號,它只是降低觸發(fā)感受器的閾值,而且當(dāng)反射弧發(fā)生時,能最大限度發(fā)揮肌肉收縮潛能[12]。神經(jīng)反射弧的生物原理如圖2所示。

        圖2 反射弧的生物原理圖

        4 仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧實驗

        4.1 仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧實驗硬件組成

        仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧實驗基于Arduino單片機(jī),一個開源的單片機(jī)電子設(shè)計硬件平臺。硬件部分由Atmel AVR單片機(jī)、I/O接口及相關(guān)電路組成,軟件部分包括標(biāo)準(zhǔn)的程序編譯器和程序下載器。作為一種新型的集成開發(fā)環(huán)境,其采用C++或Java語言編程,簡單易用且適用面廣[13]。主要硬件如下:

        1)伺服舵機(jī)兩個。伺服電機(jī)由一個電機(jī)和一個編碼器組成,編碼器可以跟蹤電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度,所以伺服電機(jī)可以用于靜謐的運(yùn)動,實現(xiàn)移動若干角度到達(dá)準(zhǔn)確位置。一般伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動角度從0°~179°,在本實驗中模擬生物體肌肉的動作。伺服電機(jī)引腳分別接Arduino單片機(jī)的數(shù)字量9、10引腳。這里的10號引腳上的伺服電機(jī)可以看做是第二塊肌肉或者同一塊肌肉上的第二束肌肉纖維。

        2)S1、S2兩個觸敏開關(guān)。分別接Arduino單片機(jī)的6、7號數(shù)字量引腳。其中7號S1模擬大腦,在實驗中抑制反射。6號模擬腎上腺素,在實驗中促進(jìn)反射。

        3)P1是10KΩ的線性電位器,它的讀數(shù)通過Arduino UNO的模擬量輸入端口A0讀入,控制伺服電機(jī)的初始位置。在刺激消失的情況下,伺服電機(jī)能夠回到初始狀態(tài)的位置。

        4)FSR1是Sparkfun生產(chǎn)的力敏電阻。這種電阻在無外力時阻值最大可達(dá)到1MΩ,若用手在上面輕輕按壓,則可以改變其阻值。當(dāng)壓力越大,其阻值越小,最小可達(dá)到1KΩ。力敏電阻模擬的是外界刺激。

        5)力敏電阻和一個10KΩ的電阻R1形成串聯(lián)回路,通過按壓力敏電阻FSR1,改變力敏電阻的電阻值,R1兩端的分壓也會隨之改變。這樣,R1兩端的電壓信號則反映了外界刺激的大小,該數(shù)值通過Arduino UNO的模擬量輸入端口A1讀入。

        其硬件原理圖如圖3所示。

        圖3 仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧硬件原理圖

        4.2 仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧實驗軟件代碼

        編寫仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧程序代碼,如何做到通過以上多個傳感器共同完成一個反射動作?這是一個關(guān)鍵的問題。解決渠道一般有兩種方式:

        1)包容體系結(jié)構(gòu)(subsumption architecture)。在這種體系結(jié)構(gòu)內(nèi),某些特定的傳感器可以否決或抑制其余的傳感器,可以認(rèn)為手工劃分傳感器等級,但這種方法的問題在于不能很好地處理一些錯綜復(fù)雜的情況[14]。

        2)傳感器融合(sensor fusion)。這種方法可以處理那些由不同傳感器發(fā)出的可能沖突的信號,簡單來說就是傳感器信號的混合[15]。有很多種辦法可以實現(xiàn)傳感器信號的融合,簡單的方法就是直接取各傳感器信號的平均值,較為復(fù)雜的辦法是用數(shù)字信號濾波器應(yīng)用于多傳感器輸出的信號,或者用相應(yīng)的算法公式在程序中體現(xiàn)出來[16]。

        經(jīng)適當(dāng)調(diào)試的傳感器融合程序?qū)⑾嚓P(guān)傳感器傳來的信號按特定方式綜合,通過這種方式對設(shè)計觸發(fā)和抑制反射的復(fù)雜問題給出一個有意義且實施有效的響應(yīng)。本程序中的語句“FSRValue>(noiseLevel+(inhibitionState*globalInhibition)+(excitationState*globalExcitation))”就是典型的傳感器融合用法。

        注1:參見硬件組成部分,將各輸入、輸出引腳以全局變量定義;

        注2:定義P1線性電位器的引腳;

        注3:定義馬達(dá)延時5ms,馬達(dá)反射延時2ms;

        注4:給絕對不響應(yīng)賦予初值1000ms,即1s;

        注5:用millis函數(shù)分別給當(dāng)前時間變量和相對時間變量賦予初值,即當(dāng)前程序運(yùn)行的時間值,單位為ms;

        注6:給定干擾值,經(jīng)驗數(shù)據(jù),可以人為設(shè)定;

        注7:為相對不響應(yīng)期設(shè)定一個斜率參數(shù)1000;

        注8:為S1和S2分別設(shè)定一個權(quán)重系數(shù)值,經(jīng)驗數(shù)據(jù),可以人為設(shè)定;

        注9:當(dāng)前時間與絕對不應(yīng)期的基數(shù)時間值的差只有大于絕對不響應(yīng)設(shè)定值(1000ms)時,才能發(fā)生反射弧現(xiàn)象;

        注10:觸發(fā)值triggerVal取干擾值和相對不應(yīng)期漸進(jìn)直線的縱坐標(biāo)值,相對不應(yīng)期本來應(yīng)該是一個指數(shù)函數(shù),但為了編程方便,采取用一個漸進(jìn)直線函數(shù)y=kx+b,k取0.25,b取1000;

        注11:只有當(dāng)力敏傳感器FSRMaxVal的值大于觸發(fā)值時,刺激反射才能發(fā)生,程序轉(zhuǎn)而去運(yùn)行makeReflex()子函數(shù),發(fā)生反射動作;

        注12:當(dāng)力敏傳感器FSRMaxVal的值小于觸發(fā)值時,刺激反射不發(fā)生,程序轉(zhuǎn)而去運(yùn)行置位子函數(shù)reset(),等待下一次的“刺激”。

        5 結(jié)語

        以上基于Arduino仿生機(jī)器人神經(jīng)反射弧實驗通過傳感器和舵機(jī)組成的硬件電路,完全可以實現(xiàn)神經(jīng)反射弧的一系列仿真動作。同時,可以在代碼中加入中斷或者其他更加復(fù)雜的算法,使程序代碼可以為后續(xù)的仿生機(jī)器人的制作設(shè)置專門的“神經(jīng)反射弧”的庫文件,可以無限地在仿生機(jī)器人相關(guān)的實驗中進(jìn)行擴(kuò)展和應(yīng)用。在未來的發(fā)展中,仿生機(jī)器人將生物基礎(chǔ)理論與機(jī)器人控制相結(jié)合,可以在行為鏈、動態(tài)平衡、光視覺、聲音定位、心肺功能、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、機(jī)體衰老和情感表達(dá)等方面進(jìn)行實驗和探索。

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