仿生機(jī)器人技術(shù)教材課件

機(jī)器人引論仿生機(jī)器人機(jī)器人引論仿生機(jī)器人仿生機(jī)器人1仿生機(jī)器人的特點(diǎn)2仿生機(jī)器人的研究概述3仿生機(jī)器魚4四足仿生機(jī)器人仿生機(jī)器人1仿生機(jī)器人的特點(diǎn)

仿生機(jī)器人的特點(diǎn)仿生機(jī)器人是近十幾年來(lái)出現(xiàn)的新型機(jī)器人。它的思想來(lái)源于仿生學(xué)，其目的是研制出具有動(dòng)物某些特征的機(jī)器人。仿生機(jī)器人是仿生學(xué)的先進(jìn)技術(shù)與機(jī)器人領(lǐng)域的各種應(yīng)用的最佳結(jié)合。仿生機(jī)器人是機(jī)器人發(fā)展的最高階段，它既是機(jī)器人研究的最初目的，也是機(jī)器人發(fā)展的最終目標(biāo)之一。機(jī)器人分為第零代原始機(jī)器人，第一代示教(工業(yè))機(jī)器人，第二代感知(遙控)機(jī)器人，第三代智能機(jī)器人和第四代仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人的特點(diǎn)仿生機(jī)器人是近十幾年來(lái)出現(xiàn)的新型機(jī)器人。它仿生機(jī)器人技術(shù)教材課件2仿生機(jī)器人的研究慨述2.1研究現(xiàn)狀1飛行機(jī)器人飛行機(jī)器人即具有自主導(dǎo)航能力的無(wú)人駕駛飛行器。其飛行原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。固定翼技術(shù)已經(jīng)成熟，但其翼展在200mm以下時(shí)不足以產(chǎn)生足夠的升力。目前國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的微型飛行器側(cè)重于撲翼機(jī)的研究。它模仿鳥類或昆蟲的撲翼飛行原理，故被稱為“人工昆蟲”。目前對(duì)飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿生研究的國(guó)家主要是美國(guó)，劍橋大學(xué)和多倫多大學(xué)也在開展相關(guān)方面的研究工作。圖2是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究小組用了4年的時(shí)間，基于仿生學(xué)原理制造出的世界上第一只能飛翔的“機(jī)器蒼蠅”。機(jī)械蒼蠅2仿生機(jī)器人的研究慨述2.1研究現(xiàn)狀目前對(duì)飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿2陸地仿生機(jī)器人機(jī)械蜘蛛：美國(guó)宇航局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于2002年12月研制成功的機(jī)器蜘蛛Spider-pot，裝有一對(duì)可以用來(lái)探測(cè)障礙的天線，且擁有異常靈活的腿。它們能跨越障礙，攀登巖石，探訪靠輪子滾動(dòng)前進(jìn)的機(jī)器人無(wú)法抵達(dá)的區(qū)域。壁虎機(jī)器人：目前世界上關(guān)于仿壁虎機(jī)器人的研制還處在初步階段，真正實(shí)現(xiàn)類似壁虎的全空間無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人還需要時(shí)間。機(jī)械蜘蛛壁虎機(jī)器人：加州大學(xué)伯克利分校RobertFull等人研制的能在干燥環(huán)境下實(shí)現(xiàn)壁面爬行的仿壁虎機(jī)器人的樣機(jī)2陸地仿生機(jī)器人機(jī)械蜘蛛壁虎機(jī)器人：3水下仿生機(jī)器人水下機(jī)器人又稱為水下無(wú)人潛器，分為遙控、半自治及自治型。水下機(jī)器人是典型的軍民兩用技術(shù)，不僅可用于海上資源的勘探和開發(fā)，而且在海戰(zhàn)中也有不可替代的作用。魚類的高效、快速、機(jī)動(dòng)靈活的水下推進(jìn)方式吸引了國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家們從事仿生機(jī)器魚的研究。美國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)家們研制出了各種類型的仿生機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和原理樣機(jī)。國(guó)內(nèi)的中科院自動(dòng)化研究所和北京航空航天大學(xué)等單位已研制了機(jī)器魚樣機(jī)?；邝摽颇Ｐ偷摹坝锡垺毕盗袡C(jī)械魚3水下仿生機(jī)器人基于鲹科模型的2.2仿生機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題1建模問(wèn)題仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有高度的靈活性和適應(yīng)性，其一般都是冗余度或超冗余度機(jī)器人，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型與常規(guī)機(jī)器人有很大差別，且復(fù)雜程度更大。2控制優(yōu)化問(wèn)題機(jī)器人的自由度越多，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，必將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。復(fù)雜巨系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積，要做到“整體大于組分之和”，同時(shí)要研究高效優(yōu)化的控制算法才能使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力。2.2仿生機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題3信息融合問(wèn)題信息融合技術(shù)把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性。4機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題生物的形態(tài)經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)特征極具合理性，而要用機(jī)械來(lái)完全仿制生物體幾乎是不可能的，只有在充分研究生物肌體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上提取其精髓進(jìn)行簡(jiǎn)化，才能開發(fā)全方位關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)組成高靈活性的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。5微傳感和微驅(qū)動(dòng)問(wèn)題微型仿生機(jī)器人的開發(fā)涉及到電磁、機(jī)械、熱、光、化學(xué)、生物等多學(xué)科。對(duì)于微型仿生機(jī)器人的制造，需要解決一些工程上的問(wèn)題。如動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式、傳感集成控制以及同外界的通訊等。3信息融合問(wèn)題2.3仿生機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)特種仿生機(jī)器人微型化仿生機(jī)器人仿形仿生機(jī)器人生物仿生機(jī)器人2.3仿生機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)3仿生機(jī)器魚3.1魚類推進(jìn)理論1魚類形態(tài)描述下圖給出了常用的描述魚體形態(tài)的術(shù)語(yǔ)。魚體通常為紡錘形體或扁平形流線體，可以極大的減小形體阻力。鰭對(duì)大多數(shù)魚類的游動(dòng)能力起到?jīng)Q定性的作用，一般來(lái)講，尾鰭提供前向游動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，中間鰭起平衡作用，而對(duì)鰭主要起到轉(zhuǎn)彎和平衡的作用。3仿生機(jī)器魚3.1魚類推進(jìn)理論魚體通常為紡錘形體或扁平形流2魚類游動(dòng)方式分類噴射式：烏賊、魷魚、水母等依照身體軀干的特殊構(gòu)造，它們由身體內(nèi)部的特殊部位向后擠壓水流產(chǎn)生后向推力，利用動(dòng)量守恒原理推動(dòng)身體前進(jìn)。BCF(Bodyand/orCaudalFin)推進(jìn)方式：這種推進(jìn)方式也被稱作尾鰭擺動(dòng)式。又可分為鰻行式(Anguilliform)，鱒行式(Carangiform)和鲉行式(Thunniform)。它們的顯著特點(diǎn)是主要利用魚的身體后半段和尾鰭協(xié)調(diào)擺動(dòng)前進(jìn)。MPF(Medianand/orPairedFin)推進(jìn)方式：它主要是利用除了尾鰭之外的一些魚鰭劃動(dòng)向前推進(jìn)，如胸鰭、腹鰭、臀鰭、背鰭等。這類魚較少，大多數(shù)的魚類只是利用這些鰭來(lái)保持平衡和控制轉(zhuǎn)向。2魚類游動(dòng)方式分類BCF推進(jìn)方式(a)鰻行式(b)鱒行式(c)鲉行式(c)鲉行式：又稱鲹科結(jié)合新月形尾鰭模式，魚類有燦魚、鰭魚、馬林魚等，常有大展弦比的尾鰭，在快速運(yùn)動(dòng)中最為高效。海洋中游速最高的魚類大都采用這種游動(dòng)方式。(a)鰻行式：又稱身體波動(dòng)式，如鰻魚、水蛇等，它們的游動(dòng)猶如正弦波形的前進(jìn)一樣，把身體當(dāng)作推進(jìn)器，用從頭到尾波動(dòng)身體來(lái)游動(dòng)，其前進(jìn)單位距離所需推力最小。(b)鱒行式：又稱鰭科模式，如蹲魚、鮮魚等，是最常見的方式，在速度、加速度方面和可操控性上有最好的平衡。BCF推進(jìn)方式(a)鰻行式(b)鱒行式(c)鲉行式(據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約只有15%的魚類采用BCF推進(jìn)方式以外的其他方式推進(jìn)。由于MPF推進(jìn)方式速度慢、效率低，因此我們把研究的重點(diǎn)放在BCF推進(jìn)方式中在速度、加速度和可操控性上有最好的平衡的鲹科模式。3鲹科類推進(jìn)機(jī)理在有流速流場(chǎng)里的非流線型物體，會(huì)沿來(lái)流的方向在其后面形成一連串交錯(cuò)而反向的尾渦，即卡門渦街。通過(guò)觀察，人們發(fā)現(xiàn)BCF推進(jìn)方式中擺動(dòng)尾鰭后同樣有尾渦串的存在，但和卡門渦街恰好相反，稱為反卡門渦街。反卡門渦街形成一種類似噴流的流動(dòng)，這種噴流平行于魚體前進(jìn)的方向，產(chǎn)生推力。魚類之所以能造成如此高效率的推進(jìn)力量，是由于來(lái)自尾鰭整合背后渦流的方式。這些渦流的強(qiáng)度隨著尾鰭的力量而增加，但是它們的旋轉(zhuǎn)軸方向一直都是垂直于魚體前進(jìn)的方向，也就使形成有效推力的噴流平行于魚體前進(jìn)的方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約只有15%的魚類采用BCF推進(jìn)方式以外的其他方式一個(gè)擺動(dòng)周期產(chǎn)生反卡門渦街的過(guò)程(a)尾鰭先以擺動(dòng)造成一個(gè)大渦流；(b)迅速的頂端擺動(dòng)造成一個(gè)相反方向的渦流；(c)下擺之后的尾鰭使兩個(gè)渦流相遇；(d)相供的兩個(gè)渦流形成一柱強(qiáng)力的向后噴流，并相互減弱其渦流強(qiáng)度。一個(gè)擺動(dòng)周期產(chǎn)生反卡門渦街的過(guò)程(a)尾鰭先以擺動(dòng)造成一個(gè)表示尾流反卡門渦街的參數(shù)是斯特勞哈爾數(shù)St（StrouhalNumber)。對(duì)于BCF推進(jìn)方式，斯特勞哈爾數(shù)定義為：表示尾流反卡門渦街的參數(shù)是斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal4鲹科類模式魚體波模型建立及分析根據(jù)對(duì)鲹科模式魚類游動(dòng)的仿生研究及圖像分析，得到的魚體波特征為一波幅逐漸加大、由頭部至尾鰭傳播的行波。魚體波曲線可通過(guò)魚體波波幅包絡(luò)線與正弦曲線的合成來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：4鲹科類模式魚體波模型建立及分析鲹科模式魚類在推進(jìn)游動(dòng)過(guò)程中，身體長(zhǎng)度上魚體波波數(shù)

，即魚體波波長(zhǎng)(:魚體長(zhǎng))，魚體的前部剛度很大，幾乎保持剛性，身體波幅限制在身體的后1/3部分，并且在末端達(dá)到最大值。鲹科模式魚類在游動(dòng)過(guò)程中通過(guò)尾鰭的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生超過(guò)90%的推進(jìn)力，尾鰭的運(yùn)動(dòng)是研究的關(guān)鍵。尾鰭運(yùn)動(dòng)可視為平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的合成，魚體波使尾鰭產(chǎn)生平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)主要產(chǎn)生擊水動(dòng)作;尾鰭繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)主要為尾鰭的擊水動(dòng)作提供合適的攻角?；谝陨戏治?，可將魚體的前部簡(jiǎn)化為剛體，由后頸部的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)代替魚體波產(chǎn)生尾鰭的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這也有助于在身體的前部安裝驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)以及檢測(cè)傳感器等;后頸部與尾鰭相連的部位簡(jiǎn)化為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，尾鰭則簡(jiǎn)化為剛性的平板。尾鰭在特定的旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)運(yùn)動(dòng)情況下產(chǎn)生最佳的推進(jìn)性能。鲹科模式魚類在推進(jìn)游動(dòng)過(guò)程中，身體長(zhǎng)度上魚體波波數(shù)3.2仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)機(jī)器魚是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)電控制兩大部分，其中機(jī)械系統(tǒng)猶如整個(gè)系統(tǒng)的軀體，控制系統(tǒng)猶如整個(gè)系統(tǒng)的大腦和神經(jīng)中樞。因此，它必須具有運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)精密的機(jī)械本體，結(jié)構(gòu)合理、高效運(yùn)作的控制系統(tǒng)，以及運(yùn)算高速、工作可靠的硬件平臺(tái)。3.2仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)1幾種典型機(jī)械魚機(jī)構(gòu)分析UPF-2001機(jī)構(gòu)分析UPF-2001尾部機(jī)構(gòu)1幾種典型機(jī)械魚機(jī)構(gòu)分析UPF-2001尾部機(jī)構(gòu)PF-600機(jī)構(gòu)分析PF-600尾部機(jī)構(gòu)PF-600機(jī)構(gòu)分析PF-600尾部機(jī)構(gòu)

VCUUV機(jī)構(gòu)分析VCUUV內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（ElectronicsAssembly:電子集成單元；

HydraulicPowerUnit:水電單元；Free-FloodedTail:無(wú)血尾巴；TailExostructure:尾巴外殼承載結(jié)構(gòu)；PressureHull:壓力船身;Batteries:電池；MainBallast:主壓載物；DrivenLinkAssembly:驅(qū)動(dòng)連接集成單元）VCUUV機(jī)構(gòu)分析VCUUV內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（Electroni2機(jī)械魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尾部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以兩個(gè)自由度的尾部推進(jìn)機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行具體介紹：魚體外形設(shè)計(jì)成紡錘體形，其縱軸與鉛垂軸之比取4左右，并且體后很快收斂成尾柄，這樣的外形可以保持邊界層的層流狀態(tài)，同時(shí)不致引起流動(dòng)分離。尾部機(jī)構(gòu)為平行四連桿機(jī)構(gòu)串連的形式，這樣，尾鰭的運(yùn)動(dòng)就由兩轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)合成，兩個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)滿足一定的相位跟隨關(guān)系，產(chǎn)生推力，推進(jìn)魚體運(yùn)動(dòng)。圖中7為剛性的背鰭，設(shè)計(jì)目的是為了增加魚體的穩(wěn)定程度，不產(chǎn)生推力作用。以上結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：自由度較少，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)精確控制；運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性好，能夠較好模擬蜂科模式魚類的運(yùn)動(dòng)形態(tài)；機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)環(huán)節(jié)較少，傳動(dòng)線路短，效率高；機(jī)構(gòu)緊湊，易于水下密封，并能保證運(yùn)動(dòng)精度2機(jī)械魚機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.魚體蒙皮2.上托架3.負(fù)載腔4.12.1魚體填充物5.齒輪6.尾柄關(guān)節(jié)7.背鰭力矩傳感器9.尾鰭關(guān)節(jié)10.尾鰭11.尾鰭伺服舵機(jī)13.直流電機(jī)14，光電碼盤15.電位計(jì)16.胸鰭伺服電機(jī)17.電源19.配重20.密封環(huán)21.胸鰭22.主體托架

機(jī)器魚本體機(jī)構(gòu)圖1.魚體蒙皮2.上托架3.負(fù)載腔4.12.1魚體填充物胸鰭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鲹科模式魚類胸鰭的運(yùn)動(dòng)一般包含三個(gè)自由度，這樣才能保證胸鰭產(chǎn)生三維的力，機(jī)器魚只需進(jìn)行功能仿生，有以下幾種方式實(shí)現(xiàn)上浮、下潛運(yùn)動(dòng):在魚體內(nèi)內(nèi)置水箱和泵，通過(guò)改變自身重力來(lái)改變?cè)谒械母×?；通過(guò)胸鰭的上下擺動(dòng)產(chǎn)生升力；改變尾鰭矢量推進(jìn)方向，如將尾鰭旋轉(zhuǎn)90度，則原來(lái)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上浮運(yùn)動(dòng)；改變魚在水中的姿態(tài)，即改變機(jī)器魚重心位置，使魚體與水平面成一定角度，在推進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了上浮運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上浮和下潛運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)具有單自由度的翼形胸鰭，采用第二種形式，由伺服電機(jī)通過(guò)平行四連桿驅(qū)動(dòng)胸鰭，通過(guò)改變擊水角度實(shí)現(xiàn)上浮、下潛運(yùn)動(dòng)。胸鰭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器魚推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)二自由度的系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律可參數(shù)化表示，我們將尾部?jī)申P(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)抽象為以下數(shù)學(xué)模型：3.3仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)控制1直線運(yùn)動(dòng)2轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)器魚具有三種基本的轉(zhuǎn)彎模式：1直線運(yùn)動(dòng)3上浮、下潛運(yùn)動(dòng)在機(jī)器魚推進(jìn)的同時(shí)，改變胸鰭的擊水角度，通過(guò)胸鰭產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上升和下潛運(yùn)動(dòng)。仿生機(jī)器人技術(shù)教材課件3.4仿生機(jī)器魚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)機(jī)器魚的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，自下而上的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行開發(fā)，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊分開設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊間的接口來(lái)組合成整個(gè)系統(tǒng)。機(jī)器魚的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：(a)通信模塊：實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)與下位單片機(jī)間的異步串行通訊，實(shí)現(xiàn)遙控信號(hào)的正確發(fā)送和接收；(b)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制機(jī)器魚各關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；(c)碼盤計(jì)數(shù)電路：設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的正交編碼信號(hào)檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)方向判斷、計(jì)數(shù)電路；(d)信號(hào)采集模塊：利用A/D轉(zhuǎn)換器，采樣機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)中的尾柄位置信號(hào)，尾柄力矩信號(hào)。3.4仿生機(jī)器魚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)機(jī)器魚控制系統(tǒng)總體框圖機(jī)器魚控制系統(tǒng)總體框圖4四足仿生機(jī)器人4.1四足仿生機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)1樣機(jī)設(shè)計(jì)概況以西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的四足仿生機(jī)器人為樣例進(jìn)行講解。樣機(jī)采用仿四足哺乳類動(dòng)物—狗的生理結(jié)構(gòu)，并對(duì)其關(guān)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化：四足仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)分布圖4四足仿生機(jī)器人4.1四足仿生機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)四足仿生2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法目前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法可大致分為兩類：(1)傳統(tǒng)規(guī)劃算法：傳統(tǒng)規(guī)劃算法先對(duì)機(jī)器人本體建模，運(yùn)動(dòng)中確定目標(biāo)位置和運(yùn)行速度后需實(shí)時(shí)地再建立精確的環(huán)境模型，在這基礎(chǔ)上通過(guò)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的數(shù)值求解，獲得各關(guān)節(jié)在下一時(shí)刻的位置信息。該方法適合機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)控制，具有算法成熟、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是對(duì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)建模復(fù)雜、計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性難以保證，同時(shí)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，很難對(duì)環(huán)境精確建模。2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法(2)仿生控制算法：仿生控制算法是模仿生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，常見的有仿生CPG算法、遺傳算法、基于行為的控制方法等。仿生CPG算法能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)步態(tài)的協(xié)調(diào)，不需要對(duì)環(huán)境精確建模，具有算法簡(jiǎn)單、易于計(jì)算機(jī)程序化、對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前該算法已應(yīng)用于四足機(jī)器人Tekken和Biosbot，同時(shí)在仿生機(jī)器魚、機(jī)器蛇和雙足機(jī)器人中已初見成效。遺傳算法是對(duì)生物進(jìn)化機(jī)制的仿生，其特點(diǎn)是具有高度的并行處理能力，魯棒性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化，特別適用于非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的優(yōu)化?；谛袨榭刂频臋C(jī)器人運(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，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。(2)仿生控制算法：仿生控制算法是模仿生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)3CPG算法研究動(dòng)物常見的運(yùn)動(dòng)形式有走、跑、跳、泳和飛等，這些運(yùn)動(dòng)具有時(shí)間和空間對(duì)稱的周期性運(yùn)動(dòng)，被稱作節(jié)律運(yùn)動(dòng)。生物學(xué)家普遍認(rèn)為，動(dòng)物的節(jié)律行為是低級(jí)神經(jīng)中樞的自激行為，由位于脊椎動(dòng)物的脊髓或無(wú)脊椎動(dòng)物的胸腹神經(jīng)節(jié)中的CPG控制，這種控制方式為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供了一種新的控制方法，即基于CPG的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法。單個(gè)CPG的輸出可作為機(jī)器人單關(guān)節(jié)控制的位置、力矩、速度等控制信號(hào)，由多個(gè)CPG組成的CPG網(wǎng)絡(luò)則可控制機(jī)器人的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

CPG網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：(a)自動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號(hào)。CPG網(wǎng)絡(luò)可以在缺乏高層命令和外部反饋的情況下自動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號(hào)，而反饋信號(hào)或高層命令又可以對(duì)的行為進(jìn)行調(diào)節(jié)。(b)多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)。網(wǎng)絡(luò)通過(guò)相位鎖定，可以產(chǎn)生多種穩(wěn)定、自然的相位關(guān)系使多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)模式。(c)CPG網(wǎng)絡(luò)易于各類傳感器的接入，傳感器的信號(hào)作為的外部輸入，為機(jī)器人提供環(huán)境信息。(d)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。(e)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。3CPG算法研究要采用CPG控制算法，需先進(jìn)行CPG建模。目前已有很多學(xué)者通過(guò)各種方法來(lái)建立CPG模型，其中Matsuoka的神經(jīng)元振蕩器模型得到了廣泛的采用，該模型是日本九州工學(xué)院的松岡清利通過(guò)對(duì)生物神經(jīng)細(xì)胞的研究，在漏極積分器微分方程的基礎(chǔ)上改進(jìn)的模型，以該模型為基礎(chǔ)的CPG控制方法己經(jīng)在多個(gè)四足仿生機(jī)器人中得到了應(yīng)用。日本電氣信息大學(xué)的Kimura在Matsuoka神經(jīng)元振蕩器模型的基礎(chǔ)上采用兩個(gè)神經(jīng)元(對(duì)應(yīng)動(dòng)物的伸肌和屈肌控制神經(jīng)元)相互抑制構(gòu)成振蕩器，兩個(gè)神經(jīng)元的輸出之差作為整個(gè)振蕩器的輸出。Kimura將這個(gè)模型應(yīng)用于其研制的四足機(jī)器人Patrush和Tekken，取得了良好的效果。CPG算法為多變量、強(qiáng)耦合、非線性算法。要采用CPG控制算法，需先進(jìn)行CPG建模。目前已有很多學(xué)者通Kimura的CPG振蕩器模型由多個(gè)CPG構(gòu)成的CPG網(wǎng)絡(luò)有鏈狀和網(wǎng)狀兩種結(jié)構(gòu)，由四個(gè)CPG單元構(gòu)成的網(wǎng)狀CPG網(wǎng)絡(luò)可用來(lái)控制四足機(jī)器人的四個(gè)骸關(guān)節(jié)。四足動(dòng)物通常有四種步態(tài)行走、同側(cè)跑、對(duì)角跑和奔跑步態(tài)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的相位鎖定可以實(shí)現(xiàn)這四種步態(tài)。四個(gè)CPG單元組成的網(wǎng)狀CPG網(wǎng)絡(luò)Kimura的CPG振蕩器模型由多個(gè)CPG構(gòu)成的CPG網(wǎng)絡(luò)有4.2四足仿生機(jī)