仿生课件14陆生动物运动仿生.ppt

* 中国的千手观音机器人 日本人的扇子舞机器人 杰克逊舞蹈机器人 仿人机器人,比较具有代表性的有早稻田大学的WABIAN 系列 本田公司的ASIMO 索尼公司的SDR-4X 韩国的KHR 系列等 双足机器人的能量消耗 仿 生 蛇 蛇之美 (a)螺旋状运动 (b)直线线运动 (c)腹部运动 (d)侧向运动 1 爬行运动分析 模式(a)是一种几乎所有的蛇都有的滑行运动模式 其特征是在滑动的过程中，身体的每“部分都有相似的运动轨迹” 蛇的爬行运动主要指的是这种滑行运动模式。 模式(b)是一种由大蛇(如蟒蛇等)等接近它们的猎物或滑过光滑的表面时所采用的特殊的滑行方式。这是—种简单的运动机制 模式(c)发生在蛇通过狭窄的直线通或蛇被放在极光滑的表面上。 这种滑行模式可以用来说明理论上的静摩擦系数大于动摩擦系数的现象。在非常光滑的环境中，使用这种滑动模式需要很大的推进力，因为此时推进力的效率非常低 模式(d)是诸如生汛在沙漠中的响尾蛇在滑行和像螺线管似的拾起并推进身体时所采取的滑动方式。这种运动模式，布身体与滑过的表面之间不产生滑行运动，它的动力学待队是身体温常从上邪接触地面。出于这个待性，它在诸如沙地的环境下运动时的滑动降擦阻力小，运动效率高。从这一点上来说，可以认为这是一种能够很好地适应沙漠环境的运动模式。 仿生蛇的控制理论及控制方式 德国研究者Bernhard Klaassen和Karl L Paap认为研究基于蛇类生物的多节、多自由度机器人的关键是机器人的自主控制，以及一定结构下机器人体态变化过程中的有效控制问题 日本东京大学的 Luc JAMMES、Yasumasa KYODO 等人也有类似研究的报导。 显然，这些研究仅仅是对一种运动原理的模拟，没有考虑环境因素，而且由于运动支承轮的存在，此种机器人系统很难适应障碍物众多、凸凹不平的自然环境。为此，日本Ibraki大学的学者进一步研究了蛇类生物的运动机理，利用串联杆系和行波运动，通过相应的结构及电机驱动，研制成仿蛇机器人系统样机，对其运动原理、结构特性、控制算法、数学模型进行了详细论证，试图开发其在上述环境中的应用。 Ibraki大学系统工程系的Shugen MA 进一步研究了生物蛇行进过程中的肌肉特点，比较了已有的仿蛇机器人运动模型，最后从驱动力、运动效率的角度出发，得出了所谓仿蛇机器人的最佳运动波形、并将进一步开展实际机器人系统的机械构成、实现方面的研究和探讨 由于生物蛇鳞片和关节的数目相当庞大，蛇类生物可以近似看作是一种“没有关节、柔性的”运动体。英国Heriot-Watt大学的G.Robinson和J.B.C.Davies基于生物蛇高度灵活性和机动性，进一步提出了连续机器人的设计思想，并通过不同形式和结构的液压驱动“人工筋”研制出不包含刚性联接和扭转关节的的机器蛇系统，该系统有较好的环境适应性，但也带来了体态控制困难、结构复杂和难以微型化的问题。这些问题只能在液压驱动技术得到发展后逐步解决。综上所述，基本可以认定，现阶段以及近未来，大多数蛇形机器人仍然是： 基于杆系结构模型 在仿生机器人领域，目前大部分研究者专注于实现更高的运动效率，得到更加接近生物的运动，这无疑是仿生机器人的研究方向之一，但是很难指望在一种机械而固定的控制方式下能够得到真正具有生物特性的运动，这方面的研究所作的也只能是根据已知环境来尽可能模拟生物运动，尽可能提高运动效率。但是这样似乎很难超越“非确定性环境适应性”这一门槛 目前已经有一部分研究者正在积极研究自适应运动控制理论，大部分研究者总的原则是试图建立一个普适的运动学模型和一个普适的决策理论，这个运动学模型应该是一个时变的数学模型，包括环境与本身的关系，能够描述时间、环境、自身状况对运动的影响，包含一组针对环境的传感与决策特征值（即决策控制层所需要的）。 作为一种典型的控制模式，基于CPG（中枢模式发生器）原理的机器人系统设计利用一个包含多个互抑制神经元的振荡器作为运动模式发生器，利用连接权重矩阵来描述多个振荡器的相位关系，调节运动模式发生器产生的节律信号，以模仿生物的步态产生原理为基础，利用CPG和几个振荡器得到各种步态。同时利用传感器构成对权重矩阵的影响，反映环境和自身的各种参数变化。这一思路比较新颖，且具有一定的普适性，应该是一种很有前途的探索方向。 这种方式的缺点在于，其拓扑结构复杂程度随运动的复杂程度成平方关系增加，且达到更好的适应性需要大量的传感器反馈，如何把这些反馈合理地反映到运动权重矩阵中去仍然是个问题，这仍然需要对各种不可预见因素的大量模拟和实践，以得出合理的反馈处理方式。 蛇形机器人国内外研究情况分析 蛇形机器人由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在