中枢模式发生器神经网络系统的建模、简化及同步转迁

This project is a fundamental research in both theory and application, which primarily aims at the animal rhythm control of CPG (central pattern generator) neural network system. The following three scientific problems are mainly studied: (1) modeling and dynamical analysis of biological CPG neural network systems; (2) models construction of functional CPG neural network systems; (3) synchronous transition analysis of functional CPG neural network systems for robot gait control. The major objectives of this project are to gain a better understanding of the dynamical characteristics of CPG neural network system and explore the pattern types of neuron activity; to build the functional CPG neural network system by using the dynamic analysis, which is made up the network nodes with simple dynamics; to establish the CPG control system based on the robot gait and propose the pattern transition induced by coupling parameters, external signals and feedback signals. In the words, this project will focus on understanding the synchronization transition of the nonlinear system. Some valuable methods will be developed to analyze the synchronization transition of the nonlinear dynamics. The transition mechanisms of the robot gaits will be established. The research results will offer some theoretical supports and technical guidance for designing the CPG neural network of the robot gait control.

本项目定位于应用基础性研究，针对生物体节律运动模式的中枢模式发生器（CPG）网络控制机理，通过对（1）生物CPG神经网络系统的建模与动力学分析；（2）功能型CPG神经网络系统的模型建立；（3）基于步态控制的CPG神经网络系统同步转迁这三个科学问题的研究，深入了解生物CPG神经网络系统的动力学机理，探索系统放电活动的模式类型和转迁规律，并在此基础上建立简化的功能型CPG网络系统，提出简单网络节点的非线性耦合实现不同类型节律振荡模式，基于足式机器人步态行走控制的CPG网络系统，建立包括节点耦合参数、上层传入激励以及自身反馈信号在内的步态模式转迁规律。重点认识耦合非线性系统的动力学分岔机理，初步形成研究高维非线性系统同步转迁的分析方法，建立不同拓扑结构下CPG 神经网络的步态转迁规律，为机器人步态控制CPG 神经网络的工程设计提供理论支持和技术指导。

针对生物节律运动的中枢模式发生器（CPG）神经网络控制机理，利用惯性项神经元等简单振子的非线性节点耦合，构建具有不同结构和功能的神经网络系统，基于非线性动力学的理论方法，研究了系统在不同耦合强度、耦合时滞、以及耦合方式下所产生的复杂动力学行为，其中包括静息态及其共存、周期节律的共存与切换、同步与反同步、以及多周期和多混沌共存等现象，阐述了相应节律模式产生与消亡的分岔机理和转迁过程。进一步，将带有惯性项神经振子及其激活函数的数学模型推广应用到人行桥侧向振动问题研究中，构建并分析了时滞与非时滞的人行桥侧向振动模型，而参数摆模型的建立刻画了行人行走时的周期运动模式，通过此问题的研究，有助于弄清人行桥侧向振动的临界条件与桥上行人同步行走之间的关系。此外，基于节律运动产生的动力学机理，分析研究了一类种群生态系统模型，探讨了时滞可以出现种群密度的周期爆发，也可以出现种群的稳态共存，统一了已有文献报道中关于时滞对种群密度看似矛盾的影响结果。总之，本项目通过对CPG神经网络系统的动力学分析，以及人行桥侧向振动和生态种群共存等问题的研究，从不同方面探讨了耦合非线性系统的动力学分岔机理，初步形成了研究高维非线性系统的分析方法，为相应的工程应用提供了必要的理论支持和技术指导。