控制機(jī)理仿生學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1控制控制(kngzh)機(jī)理仿生機(jī)理仿生第一頁(yè)，共23頁(yè)。 目錄目錄(ml)(ml)控制機(jī)理仿生的關(guān)鍵技術(shù)控制機(jī)理仿生的關(guān)鍵技術(shù)聰明的控制：魚(yú)與黏菌聰明的控制：魚(yú)與黏菌總結(jié)總結(jié)控制機(jī)理仿生分類(lèi)控制機(jī)理仿生分類(lèi)控制機(jī)理仿生的研究簡(jiǎn)介控制機(jī)理仿生的研究簡(jiǎn)介廣東省廣東省CIMS重點(diǎn)重點(diǎn)(zhngdin)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室室第1頁(yè)/共23頁(yè)第二頁(yè)，共23頁(yè)。 一一. .控制機(jī)理仿生的研究控制機(jī)理仿生的研究(ynji)(ynji)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1、仿生機(jī)器人的研究(ynji)熱點(diǎn)：通過(guò)研究生物肌體構(gòu)造，建造(jinzo)類(lèi)似生物體或其中一部分的機(jī)械裝置，通過(guò)結(jié)構(gòu)相似實(shí)現(xiàn)功能相近。研究與模擬神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及

2、高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過(guò)程機(jī)器人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、接近覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等多種感覺(jué)在內(nèi)的強(qiáng)大的感知能力。生物的能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)100%，肌肉把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的效率也接近50%。許多仿生材料具有無(wú)機(jī)材料所不可比擬的特性，如良好的生物相容性和力學(xué)相容性。第2頁(yè)/共23頁(yè)第三頁(yè)，共23頁(yè)。 一一. .控制機(jī)理仿生的研究控制機(jī)理仿生的研究(ynji)(ynji)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介2、控制(kngzh)機(jī)理仿生自然界中 ,動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性是任何(rnh)機(jī)器人無(wú)法比擬的 ,這得益于它的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理 。動(dòng)物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)進(jìn)化形成的控制機(jī)理是十分合理和精巧的 ,因此借鑒動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理是

3、提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的一條新思路 ?？刂茩C(jī)理仿生思想：第3頁(yè)/共23頁(yè)第四頁(yè)，共23頁(yè)。 一一. .控制機(jī)理控制機(jī)理(j l)(j l)仿生的研究仿生的研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀2、控制(kngzh)機(jī)理仿生基于模型的運(yùn)動(dòng)控制方法是應(yīng)用十分廣泛的經(jīng)典方法,采用建模一規(guī)劃一控制的思路(sl)。即首先對(duì)機(jī)器人本體及環(huán)境進(jìn)行精確建模,然后通過(guò)人工規(guī)劃得到機(jī)器人的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡,再利用反饋機(jī)制控制機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)與理想軌跡之間的偏差,使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)盡可能趨近理想軌跡。這種前饋加反饋的控制模式,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、精確的運(yùn)動(dòng)。常規(guī)機(jī)器人控制方法：缺點(diǎn)：對(duì)于要求多自由度運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器人，人工規(guī)劃很難滿足協(xié)同控制的實(shí)時(shí)性要求。第4頁(yè)

4、/共23頁(yè)第五頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制機(jī)理二、控制機(jī)理(j l)(j l)仿生分類(lèi)仿生分類(lèi)1、從低級(jí)到高級(jí)的生物(shngw)分類(lèi)：n本能式行為控制，是指生命生來(lái)就有的由大腦皮層以下的神經(jīng)中樞參與即可完成的一種比較低級(jí)的神經(jīng)活動(dòng)。n反射式行為控制，是指生物出生以后在非條件反射的基礎(chǔ)上，在大腦皮層的參與下經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程積累對(duì)直接的物理信號(hào)所形成的一種高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)n慎思式行為控制，是指具體語(yǔ)言中樞的高級(jí)生命體對(duì)由具體信號(hào)抽象而來(lái)的語(yǔ)言、文字所產(chǎn)生(chnshng)的反應(yīng)，這種反應(yīng)多發(fā)生在具體社會(huì)屬性的高級(jí)生命體和智能體之間n社會(huì)式行為控制方式，指具體語(yǔ)言中樞的高級(jí)生命體對(duì)抽象的語(yǔ)言、文字信號(hào)所產(chǎn)生(

5、chnshng)的反應(yīng)。第5頁(yè)/共23頁(yè)第六頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制機(jī)理二、控制機(jī)理(j l)(j l)仿生分類(lèi)仿生分類(lèi)2、控制(kngzh)機(jī)理仿生總概述高級(jí)(goj)神經(jīng)系統(tǒng)仿生低級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)仿生基于群的仿生控制基于遺傳算法的仿生控制行為主義控制理論中心模式發(fā)生器人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制控制仿生第6頁(yè)/共23頁(yè)第七頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制二、控制(kngzh)(kngzh)機(jī)理仿生分類(lèi)機(jī)理仿生分類(lèi)3、高級(jí)(goj)神經(jīng)系統(tǒng)仿生人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network）:模擬了大腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(jigu)和功能，是一種由大量簡(jiǎn)單的處理單元( 神經(jīng)元) 廣泛連接組成的信息處理系

6、統(tǒng)， 在復(fù)雜環(huán)境中具有高度的適應(yīng)性和魯棒性。雖然每個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)(jigu)和功能十分簡(jiǎn)單，但由大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以完成極其復(fù)雜的功能。第7頁(yè)/共23頁(yè)第八頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制機(jī)理二、控制機(jī)理(j l)(j l)仿生分類(lèi)仿生分類(lèi)3、高級(jí)(goj)神經(jīng)系統(tǒng)仿生模糊控制：模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)的模糊識(shí)別、推斷功能，以模糊集合理論為基礎(chǔ)(jch)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)詞計(jì)算和不精確性、不確定性和模糊信息的處理，從而解決復(fù)系統(tǒng)的建模和控制問(wèn)題。馬培蓀等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法結(jié)合起來(lái)，采用力 /位置混合控制 ,實(shí)現(xiàn)四足步行機(jī)“JTUW M-III”的慢速動(dòng)態(tài)行走。第8頁(yè)/共23頁(yè)第九頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制機(jī)理二

7、、控制機(jī)理(j l)(j l)仿生分類(lèi)仿生分類(lèi)4、低級(jí)(dj)神經(jīng)系統(tǒng)仿生行為控制理論：許多生物沒(méi)有存貯、規(guī)劃、控制全身各部分運(yùn)動(dòng)的中心控制系統(tǒng)，是根據(jù)身體各部分的不同反應(yīng)，將一些局部(jb)看來(lái)漫無(wú)目標(biāo)的動(dòng)作合成為有意義的生物行為，它的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，卻很靈活。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由一系列同時(shí)發(fā)生的簡(jiǎn)單動(dòng)作或“能力”組成，通過(guò)自組織實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜行為，這種“無(wú)思考智能”具有即時(shí)性和自組織的特點(diǎn)，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有良好的適應(yīng)性 ?；谛袨榭刂品椒ǖ膽?yīng)用實(shí)例有 Brooks 的“Genghis”六足機(jī)器人“Hannibal”六足機(jī)器人、“阿蒂拉-I”機(jī)器人、瑞士洛桑大學(xué)的“克伯拉”機(jī)器人以及美國(guó) Los A

8、lamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“Vbug”系列機(jī)器人等。第9頁(yè)/共23頁(yè)第十頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制二、控制(kngzh)(kngzh)機(jī)理仿生分類(lèi)機(jī)理仿生分類(lèi)4、低級(jí)(dj)神經(jīng)系統(tǒng)仿生中心模式發(fā)生器：動(dòng)物界最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式是節(jié)律運(yùn)動(dòng)，如走、跑、跳、泳、飛等。生物學(xué)家普遍認(rèn)為，節(jié)律運(yùn)動(dòng)并不是大腦的刻意行為，而是低級(jí)神經(jīng)中樞的反射行為，由位于脊髓中的中心模式發(fā)生器( CPG)產(chǎn)生。CPG是一個(gè)神經(jīng)振蕩電路，能夠通過(guò)自激振蕩激發(fā)身體的節(jié)律運(yùn)動(dòng)。工程界一般(ybn)將CPG建模為一組互相耦合的非線性振蕩器組成的分布系統(tǒng)，通過(guò)相位耦合實(shí)現(xiàn)節(jié)律信號(hào)的發(fā)生。第10頁(yè)/共23頁(yè)第十一頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制機(jī)理二、

9、控制機(jī)理(j l)(j l)仿生分類(lèi)仿生分類(lèi)5、基于(jy)群的仿生控制基于群的仿生控制：如機(jī)器人生產(chǎn)線、柔性加工工廠、消防、無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)群等。一些作業(yè)單個(gè)機(jī)器人往往難以完成、需要多個(gè)機(jī)器人協(xié)作。多機(jī)器人系統(tǒng)是模仿螞蟻、蜜蜂以及人的社會(huì)行為而衍生的一種仿生系統(tǒng) 。通過(guò)個(gè)體之間的合作完成某種社會(huì)性行為 。群體仿生的目的在于：通過(guò)群體行為增強(qiáng)個(gè)體智能，提高(t go)系統(tǒng)整體工作效率，減少局部故障對(duì)整體的影響。第11頁(yè)/共23頁(yè)第十二頁(yè)，共23頁(yè)。二、控制機(jī)理二、控制機(jī)理(j l)(j l)仿生分類(lèi)仿生分類(lèi)6、基于(jy)遺傳算法的仿生控制基于遺傳算法的仿生控制：遺傳算法是模擬生物界“優(yōu)勝劣汰，適者

10、生存”這一進(jìn)化法則而產(chǎn)生的一種(y zhn)控制算法 ，特別適用于非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的全局優(yōu)化 。機(jī)器人是難以精確建模的復(fù)雜系統(tǒng) ?？梢岳眠z傳算法來(lái)控制機(jī)器人的復(fù)雜行為，如軌跡優(yōu)化，冗余機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解，細(xì)胞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)位形優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)規(guī)則確定等。臺(tái)灣大同大學(xué)機(jī)械工程研究所在研究提高自走車(chē)巡線能力時(shí)采用了遺傳算法來(lái)巡線能力第12頁(yè)/共23頁(yè)第十三頁(yè)，共23頁(yè)。三、控制三、控制(kngzh)(kngzh)機(jī)理仿生的關(guān)鍵機(jī)理仿生的關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)v研究了解生物的控制方式v提煉出可以運(yùn)用在機(jī)器人的控制方法v如何(rh)設(shè)計(jì)核心控制模塊與網(wǎng)絡(luò)第13頁(yè)/共23頁(yè)第十四頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(c

11、ngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)群的控制：魚(yú)群與黏菌與黏菌1、源自魚(yú)群的防撞汽車(chē)(qch)日產(chǎn)汽車(chē)模仿(mfng)魚(yú)群的動(dòng)作，開(kāi)發(fā)了能夠避免撞擊周?chē)臋C(jī)器人和障礙物的機(jī)器人車(chē)“EPORO”。第14頁(yè)/共23頁(yè)第十五頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(cngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)群的控制：魚(yú)群與黏菌與黏菌1、源自魚(yú)群的防撞汽車(chē)(qch)魚(yú)類(lèi)會(huì)根據(jù)與最近的伙伴和障礙物的距離，用三種規(guī)則改變動(dòng)作：在距離伙伴太遠(yuǎn)時(shí)拉進(jìn)距離的“接近”-區(qū)域3與伙伴保持適當(dāng)距離并配合其速度和前進(jìn)方向的“并行”-區(qū)域2防止與伙伴相撞(xin zhun)的“沖撞回避”-區(qū)域1研究表明，魚(yú)類(lèi)是利用能夠敏感察覺(jué)近處

12、物體的側(cè)線感覺(jué)、能夠望遠(yuǎn)的視覺(jué)兩種感覺(jué)器官來(lái)完成上述控制的。第15頁(yè)/共23頁(yè)第十六頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(cngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)的控制：魚(yú)群與黏菌群與黏菌1、源自魚(yú)群的防撞汽車(chē)(qch)為此，日產(chǎn)汽車(chē)(qch)使用紅外激光的測(cè)距傳感器替代側(cè)線感覺(jué)，使用UWB（ultrawide band）通信模塊替代了視覺(jué)。EPORO利用UWB通信模塊與周?chē)臋C(jī)器人進(jìn)行通信，根據(jù)通信耗費(fèi)的時(shí)間推測(cè)距離。第16頁(yè)/共23頁(yè)第十七頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(cngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)群的控制：魚(yú)群與黏菌與黏菌1、源自魚(yú)群的防撞汽車(chē)(qch)日產(chǎn)汽車(chē)的機(jī)器人車(chē)“EPOR

13、O”能夠根據(jù)情況改變集體行駛的狀態(tài)。舉例來(lái)說(shuō)，在寬敞的道路上，EPORO保持安全間隔，分散行駛，而在狹窄的道路上，EPORO則排成1列行駛。前方出現(xiàn)(chxin)障礙物的時(shí)候，還會(huì)改變行駛的隊(duì)形，避開(kāi)障礙物。第17頁(yè)/共23頁(yè)第十八頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(cngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)的控制：魚(yú)群與黏菌群與黏菌2、模擬(mn)真黏菌的機(jī)器人大多采取(ciq)的是依靠高性能中央運(yùn)算裝置來(lái)控制。傳統(tǒng)的機(jī)器人：自然界連腦都沒(méi)有的原始生物，也能相應(yīng)于無(wú)法預(yù)測(cè)的環(huán)境變化而移動(dòng)。即使沒(méi)有高性能的中央運(yùn)算裝置，也可能實(shí)現(xiàn)像生物那樣靈活的動(dòng)作生物體的動(dòng)作是以自主分散的控制方法進(jìn)行的，體內(nèi)分散

14、配置的各個(gè)單元都會(huì)自主地協(xié)調(diào)動(dòng)作。第18頁(yè)/共23頁(yè)第十九頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(cngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)群的控制：魚(yú)群與黏菌與黏菌2、模擬(mn)真黏菌的機(jī)器人東北大學(xué)電氣通信研究所教授石黑章夫把目光對(duì)準(zhǔn)了結(jié)構(gòu)和動(dòng)作單一的黏菌。這是“變形菌”的一種，沒(méi)有腦和神經(jīng)(shnjng)。即便如此，這種菌依然會(huì)像動(dòng)物一樣到處尋找食物。第19頁(yè)/共23頁(yè)第二十頁(yè)，共23頁(yè)。四、聰明四、聰明(cngmng)(cngmng)的控制：魚(yú)的控制：魚(yú)群與黏菌群與黏菌2、模擬(mn)真黏菌的機(jī)器人黏菌由溶膠狀的“內(nèi)質(zhì)”與凝膠狀的“外質(zhì)”組成。在移動(dòng)時(shí)，真黏菌是通過(guò)外質(zhì)各個(gè)部分(b fen)的收縮、舒張，使內(nèi)質(zhì)發(fā)生流動(dòng)，從而帶動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)。石黑為了探索真黏菌的自主分布式控制方法，試制出了模仿真黏菌的機(jī)器人。用裝滿水的氣球代替內(nèi)質(zhì)部分。外質(zhì)采用的則是用彈簧連接多個(gè)機(jī)械單元（摩擦控制單元）組成的環(huán)狀體。第20頁(yè)/共23頁(yè)第二十一頁(yè)，共23頁(yè)。五、總結(jié)五、總結(jié)(zngji)(zngji)2、高級(jí)(goj