基于感官驱动的颈部与四肢协调机制，实现步行、小跑与飞奔步态的转换

《Scientific Reports》：Sensory-driven neck–limb coordination mechanisms for walk-trot-gallop gait transitions

　　

摘要

四足动物具有多种步态模式，并会根据速度的不同在各种步态之间切换。这些步态模式需要复杂的整体身体协调，主要由由中枢模式发生器（CPGs）和外部感官反馈构成的分布式神经网络来控制。然而，这些神经网络究竟如何实现不同类型的整体身体协调仍不清楚。在这里，我们以马的行走方式为研究对象，提出了一种神经网络模型，只需调整与速度相关的单一参数即可实现慢走、快走和飞奔之间的转换。该模型以地面反作用力（GRF）和躯干角速度作为感官信息。模拟结果表明，所提出的反馈机制能够使颈部与四肢实现自组织的协调，以适应不同的步态模式。基于速度、颈部摆动幅度、最大地面反作用力以及步态周期稳定性等指标进行的步态评估，其结果与实际动物的表现趋势相似。这些发现表明，我们的模型有助于理解适应性整体身体协调机制，并为机器人控制设计提供借鉴。