中樞模式發生器是產生動物節律運動行為的生物神經環路，它由一系列神經振盪器組成，是神經振盪器與多重反射迴路系統集成在一起組成的一個複雜的分散式神經網路。
基本介紹
- 中文名：中樞模式發生器
- 外文名：Central Pattern Generator
簡介,緒論,特徵,套用,
簡介
中樞模式發生器Central pattern generators (CPGs)是一種不需要感測器反饋就能產生節律模式輸出的神經網路。研究表明，即便缺少運動和感測器反饋，CPGs仍能產生有節律的輸出並形成"節律運動模式"。一個CPG必須具備如下條件方可被視為節律發生器：
- 兩個或更多的過程相互作用並且彼此因果性地變化
- 在如果上相互作用的影響下，系統反覆回到初始狀態。
運動是動物維繫個體生存和種族繁衍的基本功能之一。運動一般可分為三大類:反射運動、隨意運動和節律性運動。反射運動是最簡單、最基本的運動，它產生的運動有定型的軌跡;隨意運動通常是為了達到某種目的而指向一定目標的運動；節律性運動介於這兩類運動之間，如呼吸、咀嚼、行走等，這類運動可以隨意開始或者停止，一旦開始，就能自動重複進行而不再需要意識的參與。一般而言，產生節律運動活動的神經環路被稱為中樞模式發生器(central patterngenerator， CPG)。
緒論
自然界中，各類生物為適應複雜多變的生存環境，進化出令人驚嘆的本領與特徵。這些優良的生物性能給人類創造與設計提供各種靈感。通過學習、模仿某些生物的特性及功能，可以提高人類對自然的適應和改造能力。因此，近年來，仿生機器人的研究引起了廣泛的關注。在仿生控制領域中，基於中樞模式發生器的運動控制方法因其優越性能得到廣泛套用，成為仿生控制領域的研究熱點。
從生物學角度講，中樞模式發生器（CentralPattern Generators，CPG）是指一類存在於無脊椎動物和脊椎動物體內中樞神經系統中的神經元電路。它由脊髓和腦幹的中間神經元網路組成，通過神經元之間的相互抑制，產生穩定的相位鎖定的周期信號，控制軀體相關部位的節律性運動，例如呼吸、行走、飛行等。CPG的研究及發展經歷了一個漫長的過程。早在1911年，G。Brown就指出控制貓行走運動的基本神經元迴路存在於脊髓中。從20世紀60年代開始，生物學家陸續在生物體內發現神經模式發生網路，找到CPG在脊椎動物和無脊椎動物體記憶體在的證據。至20世紀80年代，CPG生物模型和數學模型逐漸建立起來，促進了CPG的研究和套用。20世紀90年代，CPG理論日臻完善，套用範圍逐漸擴大。進入21世紀，CPG得到空前發展，套用於機器人控制的數量大幅增加。
特徵
CPG作為一種生物學運動控制機制，在機器人運動控制領域得到廣泛套用。與傳統機器人的控制方法不同，其主要特徵有：
（1）可以在無節律信號輸入、無反饋信息及缺少高層控制命令的情況下產生穩定的節律信號。
（2）通過相位滯後及相位鎖定，可以產生多種穩定的相位關係，實現機器人多樣的運動模態。
（3）易於集成環境反饋信號，形成反饋控制系統。
（4）結構簡單，具有很強的魯棒性和適應能力。CPG的這些特徵與機器人運動特點相結合，常被用於機器人節律運動的底層控制器，同時在CPG模型中耦合高層控制中心的控制命令及反饋信息，可以線上產生穩定、協調的節律信號，控制機體的節律運動。
套用
動物節律運動的指令可由CPG獨立產生，由神經—肌肉耦聯和運動覺反饋系統產生穩定的運動模式，同時，組成CPG的神經網路結構和突觸強度的變化受到包括大腦皮層等高級中樞的調控，使動物的節律運動模式具有更好的適應性和可塑性。動物的眾多節律運動，據研究發現都是由脊髓中的一種中樞模式發生器（Central Pattern Generator）來實現的。比如呼氣，走路，咀嚼等等，這些運動並不需要多少大腦的指令就可以靈活自如的實現。基於CPG的機器人節律運動也成為科學家研究的熱點。人們希望像動物的節律運動那樣實現仿生機器人的逼真控制，並具有與環境適應的能力。
基於CPG的機器人運動控制是仿生機器人領域的新的研究熱點。由於CPG控制方法本身的穩定性、可靠性及無需節律信號輸入等特點，越來越多的仿生機器人採用基於CPG的控制方法控制運動。
