動物運動穩(wěn)定平衡性的研究

1、關(guān)于動物運動關(guān)于動物運動穩(wěn)定穩(wěn)定平衡平衡性的研究性的研究 -張琪張琪我對于課題的初步認知 當(dāng)前，機器人已成為家喻戶曉的“大明星”，它迅速發(fā)展并對整個工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索，以及人類生活的各方面產(chǎn)生越來越大的影響，在減輕人類勞動強度，提高生產(chǎn)率，改變生產(chǎn)模式，把人從危險、惡劣、繁重的工作環(huán)境下解放出來等方面，顯示出極大的優(yōu)越性。 工業(yè)機器人工業(yè)機器人海洋機器人海洋機器人 太空機器人太空機器人 在特殊用途領(lǐng)域，對能在復(fù)雜環(huán)境下行走的特種機器人的需求日益增加，人們要求機器人不僅能適應(yīng)結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境，更要能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的，未知環(huán)境。 機器人按行走機構(gòu)分類 主要分為三大類輪式履帶式雙足、四足及多

2、足式 輪式機器人履帶式機器人 四足機器人足式機器人在地球表面，有超過50%以上的面積為崎嶇不平的山丘或沼澤，不適合輪式或履帶式器械在其上面行走。在這種環(huán)境下，足式機器人有著輪式和履帶式機器人無法比擬的優(yōu)點：足式機器人可以利用孤立的地面支撐而不是輪式機器人所需的連續(xù)地面支撐，在可能到達的地面上可以選擇最優(yōu)的支撐點，更能夠適應(yīng)不平坦的地面，因此具有更強的機動性和適應(yīng)性；另外，其腿部所具有的多個自由度使其具有良好的運動靈活性，這些特點使得足式機器人在非結(jié)構(gòu)化、存在不確定因素的環(huán)境中工作具有絕對的優(yōu)勢。因此，足式機器人成為國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究的熱點。課題研究目的與意義 課題研究目的高適應(yīng)性高動態(tài)能力高

3、負載能力為了滿足野外環(huán)境系統(tǒng)性應(yīng)用需求四足機器人應(yīng)具備:尤其是在受到自然環(huán)境對其造成各種外力擾動作用下的自主穩(wěn)定平衡控制能力，這將直接決定四足機器人執(zhí)行野外任務(wù)的可能性和可靠性。目前的技術(shù)狀態(tài)低速靜態(tài)穩(wěn)定無擾動的實驗室研究階段 意義:由于四足機器人是一個冗余驅(qū)動、時變拓撲的多支鏈系統(tǒng)，其高緯度的狀態(tài)變量導(dǎo)致計算規(guī)模十分龐大，直接對其進行整體分析較為困難。如何通過借鑒仿生學(xué)領(lǐng)域研究成果提出各種等效簡化模型，通過合理降階來實現(xiàn)對四足機器人高速動態(tài)的有效控制意義重大。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 四足機器人的概念最早可追溯到中國古代三國時期的“木牛流馬”，而外國有據(jù)可查的記載是1893年發(fā)明的機械馬。此后四足機器

4、人經(jīng)歷一個多世紀的發(fā)展，取得了長足的進步，按照控制方式不同可大致歸納為三個發(fā)展階段。第一階段人工參與的機械和液壓控制階段第二階段電子計算機控制階段第三階段融合感知、規(guī)劃、行動與交互的自主或與人共存各個階段的實例簡介 第一階段： 代表成果為1968年美國通用公司Mosher等人設(shè)計開發(fā)的四足步行機“Walking Truck”。其控制方式為人工駕駛，駕駛員通過手、腳控制與之連接的液壓操縱手柄，和腳踏板實現(xiàn)控制，這一成果被視為現(xiàn)代機器人 發(fā)展史上的一個重要里程碑。 Walking Truck 第二階段： 1968年，F(xiàn)rank 和McGhee完成了第一臺自動控制四足機器人“Phony Pony”，

5、這標志著電子計算機控制階段的開始。 Phony Pony 進入20世紀90年代 ，由于電子計算機技術(shù)和仿生學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，四足機器人也隨之進入高速發(fā)展階段，涌現(xiàn)了一大批具有代表性的四足仿生機器人，入日本東京工業(yè)大學(xué)團隊開發(fā)的TITAN系列機器人，美國斯坦福大學(xué)等人開發(fā)的Kolt四足機器人 ，可實現(xiàn)較快速的溜蹄、小跑、跳躍等步態(tài)。TITAN VIIIkolt這些四足機器人已經(jīng)可以通過控制算法實現(xiàn)各種運動步態(tài)并能夠完成簡單的任務(wù)。 第三階段 伴隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和提高，人們對四足機器人的功能性和自主性需求越來越來越高。研究人員更多的著眼于提高四足機器人的運動速度和自主適應(yīng)性。提高出了更為智能的控

6、制算法。最具代表性的成果為在美國國防部先進研究項目局（DARPA）支持下，由Boston Dynamics 公司研制的一種能在戰(zhàn)場上幫助士兵運輸物資的四足機器人“BigDog”。 Boston Dynamics公司曾測試過BigDog，這只機器狗與真狗一般大小，它能夠在戰(zhàn)場上發(fā)揮重要作用:為士兵運送彈藥、食物和其他物品。其原理是,由汽油機驅(qū)動的液壓系統(tǒng)能夠帶動其有關(guān)節(jié)的四肢運動。陀螺儀和其他傳感器幫助機載計算機規(guī)劃每一步的運動。機器人依靠感覺來保持身體的平衡，如果有一條腿比預(yù)期更早地碰到了地面,計算機就會認為它可能踩到了巖石或是山坡,然后BigDog就會相應(yīng)地調(diào)節(jié)自己的步伐。國內(nèi)情況 近些年來，國內(nèi)多所高等學(xué)校和科研院所都先后展開了四足機器人的相關(guān)研究。具有代表性的成果上海交通大學(xué)開發(fā)的四足機器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的足-輪混合式式四足機器人，國防科技大學(xué)等單位研制的四足機器人。這些四足機器人大都采用功率密度一體化驅(qū)動單元，自帶動力源，配備機身慣導(dǎo)系統(tǒng)、關(guān)節(jié)角度傳感器、足端三維力傳感器等，能實現(xiàn)50千克負重下豎直起蹲、單腿輪換站立、直線對角小跑、10爬坡、原地踏步等