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仿生机器人体系结构的研究
发表时间:2006-1-3  许宏岩 王树国 付宜利 刘建国   来源:机械工程师
关键字:机器人 仿生机器人 体系结构 仿生控制 进化 学习 
针对非结构化的、未知的工作环境要求,提出了一种适用于第四代仿生机器人的仿生式体系结构,阐述了仿生拉 制的思想与原理,实现了代与代之间的反射式行为控制向本能式行为控制的进化和本代内由懊思式行为控制向反射式行为控制的学习升华,弥补了基于懊思式AI和基于反应式AI的两种模型的不足,可使机器人具备良好的主动学习和自适应能力。

    (5) 借鉴分布式智能的思想,在控制体系结构中引人社会式行为控制层;

    (6) 借鉴生物的自适应性思想,在控制体系结构中实现本代内的由慎思式行为层到反射式行为层的学习;

    (7) 借鉴生物的自进化性思想,在控制体系结构中实现多代间的由反射式行为层向本能式行为层的进化(或退化)。

    所以,仿生式体系结构共有四个行为控制层组成,即本能式行为控制层、反射式行为控制层、慎思式行为控制层和社会式行为控制层,它们并行接收来自感知层的外部和内部信息,各自作出逻辑判断和反应,发出控制信息到末端执行层,通过竞争和协调来调节自身并适应外部环境,从而按照目标完成工作任务。

    3.2 仿生式体系结构的整体设计

    仿生式体系结构的整体组成如图2所示。其工作流程为:


图2 机骼人仿生式体系结构图

    (1) 感知层感知机器人内部和外界的敏感信息,分类传至数据库;

    (2) 本能类的信息直接传至本能式行为控制层,如不为零则直接传至执行层,触发对应的行为,同时触发行为保存至决策库;

    (3) 反射类的信息传至反射式行为控制层,归类后经模糊逻辑判断触发相应的行为,同时将模糊决策结果保存至决策库;

    (4) 慎思类的信息传至慎思式行为控制层,归类后经神经网络推理得出模糊决策,存至决策库并触发相应的行为;

    (5) 社会式行为控制层感知和接收来自其他仿生机器人或人类的决策信息,同时提取本身的底层决策结构,综合衡量比较处理后得出决策,存至决策库并触发相应的行为。

    在具体的执行过程中,四个行为控制层在优先级别和响应时间上存在着如下关系:

    (1) 各行为控制层具体执行的优先级别:社会式行为控制层>本能式行为控制层>反射式行为控制层>慎思式行为控制层。

    (2) 各行为控制层响应时间的长短顺序:社会式行为控制层>慎思式行为控制层>反射式行为控制层>本能式行为控制层。

    3.3 各行为控制层的具体实现

    (1)本能式行为控制层的设计实现

    本能式行为控制对机器人而言就是指参照生命的本能反应的在逻辑上无需判断推理,在硬件上直接触发实现的行为控制方式。

    本能式行为控制层所包含的行为一般为基于安全的最基本、最低级的行为,如电源启动、自身基本状态检测、避碰等等。

    规则1:

    if data_instinet_class<>0 then//非零触发
    exec(instinct-class)// 执行对应行为
    report (decision_bank)//存人数据库

    对本能类信息作二值化处理,超过所设的阂值则触发对应的本能反应。

    (2)反射式行为层控制的设计实现

    反射式行为控制对机器人而言就是指参照生命的第一条件反射的在逻辑上采用模糊推理和条件触发的行为控制方式。

    反射式行为控制层所包含的行为一般为机器人在具体的环境条件下长期积累形成的一些比较低级的基本的控制行为,如响铃避碰,遇光报警等。

    规则2: 对于已经建立了条件反射的先后发生的两个事件Ea,Eb,设对应的响应为Ra,Rb,两者间的联接强度为Rab,初试联接强度为R0,则可以按照如下模糊规则响应:

    If Ea is ture then//如果事件Ea发生
    exec(Ra)//执行Ea的响应Ra
    find Eb on condition (Rab>3R0/2) then //查找满足条件反射的事件Eb
    exec(Rb)//执行Eb的响应Rb
    while(t<△T)//如果Eb如期发生
    if Eb is true //则强化联接强度
    Rab=Rab-R0/2i
    else Rab=Rab-R0/2i //否则弱化
    End if
    End if

    其隶属度图如图3所示。


图3 反射式行为控制层的响应规则

    (3)慎思式行为控制层的设计实现

    慎思式行为控制指的就是全面的考虑多方面的因素与信息,由模糊逻辑和神经网络进行推理和计算得出决策的一种高级的行为控制方式。

    规则3 :慎思式行为控制规则采用的是规则联接的模糊神经网络,处理过程如图4所示。对应的模糊神经网络结构如图5所示。

 
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责任编辑:江琦