《专题4:仿生学研究中的生物神经系统与运动控制力学原理》.pdf

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哈工大成教院继续教育课程《仿生原理 2012-04 与仿生机械概论》 专题四:仿生学研究中的生物运动系统与仿生运动控制 专题四:仿生学研究中的生物运动系统与仿生运动控制 哈工大机械设计系仿生仿人机器人及智能运动控制研究室 HG Robot and Intelligent Motion Control Lab., HIT /HGRobotLab/index.htm (第2 章仿生学中生物的基本原理) (第2 章 哈工大成人教育学院继续教育课程《仿生原理与仿生机械概论》 生物運動的典型 生物運動的典型 专题一: 专题一: 方式与其中的仿 方式与其中的仿 仿生学研究中生物运动系统与仿生运动控制 仿生学研究中生物运动系统与仿生运动控制 生機理 生機理 仿生学中生物 仿生学中生物 仿生学的力 生存的自然 的基本原理 仿生学的力 讲授者:吴伟国 教授/博士生导师 生存的自然 的基本原理 学原理 法則 学原理 法則 哈尔滨工业大学机械设计系 2012.3.30 2012-03 哈工大成教院继续教育课程《仿生 1 2012-03 哈工大成教院继续教育课程《仿生 2 原理与仿生机械概论》机械设计系 原理与仿生机械概论》机械设计系 吴伟国教授专用PPT 吴伟国教授专用PPT 3. 六足昆虫机器人自律步行的力学原理与控制 1 引言 [摘要] 现代科学技术的理论体系是站在截取自然的某些片断 迄今为止的控制理论都是以把某一系统放在某一给定环境时为实 现给定机能的控制为目标的。例如:诺尔伯特?维纳 Norbert 角度,在其状况确定的情况下,追求自然规律。因此,在 Wiener[1894-1964] 的Cybernetics 控制论:1948年 认为:“假 不可预测的环境变化下,不可能实时地进行柔软的运动控 设关于我们的状况的变量有两个,其一是我们所不能够控制的, 制等等。一方面,可以认为生命系统具有实时地进行柔软 而另一个是由我们能够调节的。基于从当时不能控制的变量的过 控制的方法。这个差别归结为本质上把不完全设定问题的 去到现在的值,适当地选定可调节的变量的值,有希望给我们带 来我们所期望的最好状况”。现代控制理论就是基于这一想法发展 课题作为完全设定问题来处理是否具有方法论的差异。在 起来的,但其理论是以系统能够得到的状态空间是可控为前提才 不可预测、复杂、变化的环境下为把不完全设定问题作为 成立的。 完全设定问题处理需要有把初始条件、参数、边界条件能 现代我们所面临的系统是日益巨大化、复杂化的。即使这样的系 够由系统自身自治地确定的机制。基于这种机制才能开始 统被放在一定环境的情况下其要素的数量也是庞大的,如果从核 构筑出生成信息智能性系统。 心部分分别把控制信息送给各个要素,从原理上讲是可控的。可 是,如果构成要素很多则需要处理的计算量成几何级数增大,所 因此,本节考察这样的问题:信息生成的机制是生物运动 信息生成的机制是生物运动 以,现实的控制对象一旦变多,时时刻刻计算控制信息将变得非 控制和认识环境的本质。 常困难。对于这个问题,各种各样的理论体系被开发起来了。 控制和认识环境的本质。 2012-03 哈工大成教院继续教育课程《仿生 3 2012-03 哈工大成教院继续教育课程《仿生 4 原理与仿生机械概论》机械设计系 原理与仿生机械概论》机械设计系 吴伟国教授专用PPT 吴伟国教授专用PPT 现在盛行的是:因为这种问题是很难求解最优解的,所以从不取强求 无限定问题与现在研究盛行的复杂系统理论都是不遵从逻辑结构。 最优解,从求解较好的近似解释是不是更好呢的想法出发来解决方法。 神经网络的方法就是这样,是一种不一定能保证最优解但能够大幅度 复杂系统理论能够自组织对应于它所存在环境的时间和空间样本。 地缩短计算时间得到近似解的理论体系。现在研究盛行的GA方法则 复杂系统是非线性动力系统之一,由具有固有动力学的多数要素组 是高效地求解近似解的方法。它可以适用于自由度多求解最优解困难 成,它通过某个约束条件进行复杂的相互作用来自发地形成多样的 的可控系统,也可看作是一种获取“探索性的智能”方法。 是空间样本。然后,利用这个性质来解决线性系统所不能实现的机 现代科学技术中最重要的课题之一就是状态空间不能确定的情况下, 能。复杂系统研究中,将自发形成的动态秩序用于记忆、探索等信 即系统评价函数不能事先在原理上求得的情况下开发可以控制的理论 息处理、运动控制的研究就在于此,也取得了一定的效果。但是, 体系。包含系统的环境具有复杂的时间和空间结构,而且其变化是不 所采取的方法的是把给定的机能掩埋在复杂系统所具有的是空间样 可预测的情况下,迄今为止所用的方法哪个都不是有效的。将其称为 本中,其立场依然是“ 自他分离 自我矛盾? ”的立场,而“

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