本技术公开了一种肌肉驱动的仿果蝇幼虫智能体建模与分层运动控制方法,基于弹簧质点方法建模果蝇幼虫多体节全软体躯体、基于肌肉长度‑速度‑张力非线性模型建模肌肉张力计算节点、基于体积约束算法建模静流体骨骼,在上述仿真建模框架下形成仿果蝇幼虫智能体。面向仿果蝇幼虫智能体,构建基于von‑mises循环分布中央模式发生器的肌肉底层控制器,将控制维度从肌肉数量压缩至底层控制器参数数量;采用强化学习方法寻优控制底层控制器参数的高层策略网络,使得高维肌肉系统可在上述分层运动控制方法协调下,驱动仿果蝇幼虫智能体产生多模式蠕动运动。本发明提供了新的结构设计和控制算法,有助于推进软体机器人在工业、医疗等领域的应用。
背景技术
软体机器人相较于传统刚体机器人具有运动灵活、环境适应性强等优势,然而由于柔性材料的非线性特性和复杂变形行为,其结构设计和控制面临诸多难点。在结构设计方面,软体机器人需要支持大变形能力,这要求材料既具备足够的柔性,又要保持一定的强度和耐久性,在设计中还需要兼顾多模态运动需求和加工工艺可行性;在控制方面,由于软体机器人的柔性结构缺乏明确的关节和固定的躯体形状,传统的刚体控制理论难以直接适用与其运动学建模和动态分析。
相对于目前软体机器人所面临的结构设计和控制等难点,自然界中的软体生物,如章鱼、蚯蚓和海葵等,凭借其柔软的身体结构和多样化的运动方式,展现出卓越的环境适应能力和灵活性。例如,章鱼的触手能够精确抓取、自由弯曲并适应复杂地形,蚯蚓通过蠕动轻松穿越狭窄空间。受这些生物运动行为的启发,软体机器人的仿生设计有望模仿生物的形变和运动模式,实现抓取、爬行、游动等多模态功能。因此,面向仿生软体机器人的建模与控制技术,是发展新型软体机器人结构设计及其控制系统的重要技术手段。
果蝇幼虫作为一种体型微小的软体动物,其运动行为展现出高度灵活性和适应性,它们能够精准调控肌肉收缩实现高效的波浪式蠕动,即使在复杂地形或狭小空间中也能保持稳定的运动表现,此外,它们还具备卓越的方向控制能力和快速的环境响应能力,能够在光线、温度或化学刺激下迅速调整运动轨迹,是当前仿生软体机器人研究的重要目标生物之一。
现有面向果蝇幼虫运动建模与控制的研究,均对其躯体进行了大量简化,例如论文《Integrative neuromechanics of crawling in D.melanogaster larvae》(译为“黑腹蝇幼虫爬行的综合神经力学”,《eLIFE》,2016年第5期)将果蝇幼虫的多体节结构简化为一维空间中相互串联的十一个质量点,仅研究了果蝇幼虫的直行与后退蠕动;论文《Modelling the mechanics of exploration in larval Drosophila》(译为“模拟果蝇幼虫的探索机制”,《PLOS Computational Biology》,2019年第15卷)在二维空间中将果蝇幼虫建模为由扭转弹簧连接的一组质量点,通过控制扭转弹簧刚度,研究了幼虫左右偏转的探索运动。综上所述,现有研究缺乏在三维空间中对果蝇幼虫躯体结构的设计以及多模式运动控制的分析,难以支持仿果蝇幼虫软体机器人的深化研究。
面向现有技术方案存在的问题,本发明基于弹簧质点方法在三维空间中建模果蝇幼虫多体节全软体躯体、基于肌肉长度-速度-张力非线性模型建模肌肉张力计算节点、基于体积约束算法建模静流体骨骼,在上述仿真建模框架下形成仿果蝇幼虫智能体。面向仿果蝇幼虫智能体,构建基于von-mises循环分布中央模式发生器的肌肉群组底层控制器,将控制维度从肌肉数量压缩至底层控制器参数数量;采用强化学习方法寻优控制底层控制器参数的高层策略网络,使得高维肌肉系统可在上述分层运动控制方法协调下,驱动仿果蝇幼虫智能体产生多模式蠕动运动。所构建的仿果蝇幼虫智能体可为仿生软体机器人研究提供新型材料结构与控制算法研究平台,将对工业、医疗领域的自驱动软体机器人研究有着参考意义。
实现思路