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生物启发的运动策略:在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人-1-生物启发的运动策略：在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人摘要-本文介绍了一些地面移动机器人，它们的发展是基于弗吉尼亚理工大学RoMeLa（机器人技术和机械实验室）使用生物启发的新型运动策略。我们通过学习自然模型，然后模仿或获取来自这些设计和进程中的灵感，为移动机器人的移动，应用和实施了新的方式。不同于大多数地面移动机器人使用的常规手段的运动，如车轮或轨道，这些机器人展示独特的移动性特点，使在某些环境下运动困难的常规地面机器人变得适应。这些新型的地面机器人，包括：整个皮肤运动机器人，它从似变形虫的运动机械受到启发；三条腿的步行机器人STriDER（自激三足动态实验型机器人），利用驱动的被动式运动概念；六足机器人MARS（多附加的机器人系统）使用干粘合剂“壁虎脚”走在零重力的环境中；人形机器人DARwIn（动态拟人智能机器人）使用动态两足步态；移动性高的机器人IMPASS（拥有积极会话系统的智能移动平台）使用了一种新型车轮和腿混合运动的策略。对于上述每个机器人和所运用的新型运动策略，我们随后将对它们的性能以及面临的挑战进行讨论。关键词-生物的启发，运动，移动机器人。１.导言9/11世界贸易中心的惨剧后，在归零地（911恐怖袭击中倒塌的世界贸易中心遗址），国防部联合机器人计划秘书办公室从机器人辅助搜索和努力救援中得到教训，并在为此准备的一份报告中指出，机器人的移动性是指作为目前机器人技术的一个主要限制性内容就是完成搜索和救援任务。该报告进一步指出，所有雇用机器人在归零地网站使用轨道驱动器一般都优于车轮在不平坦的地面，不过，其他更有效的运动策略必须作进一步调查。不同与空中或海上运输的车辆在他们的旅行区域内几乎可以达到任何一个目的地，今天使用的大部分生物启发的运动策略:在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人-2-地面车辆，在穿越大障碍和攀登陡坡时有困难，这是由于其有限的移动性，尤其是在非结构化环境下。随着机器人智能技术的进步，和移动机器人在新的应用领域增加，机器人替换基础运动机械的需要，这可以使它们在被调遣到复杂的非结构化地形中时变得至关重要。目前地面车辆的运动的方法是基于车轮，铁轨或两条腿，每一个方法有其自身的长处和短处。为了使移动机器人适应一个地区的复杂地形，一种新的运动方法是必要的。例如，为了能够找到被困在倒塌大楼中的人，将需要身处狭窄拐角的机器人能够在瓦砾下或之间移动。目前的运动方法，可以做到这项工作的一部分，但在实现所有这些功能时，他们却只有有限的成功。我们通过学习自然模型，然后模仿或获取来自这些设计和进程中的灵感，为移动机器人的移动，应用和实施了新的方式。在本文中，我们呈现了5个地面移动机器人，它们的发展是基于弗吉尼亚理工大学的RoMeLa（机器人技术和机械实验室）使用的生物启发的新型运动策略。不同于大多数地面移动机器人使用的常规手段的运动，如车轮或轨道，这些机器人展示独特的移动性特点，使在某些环境下运动困难的常规地面机器人变得适应。2.生物启发的新型运动的策略2.1从似变形虫的运动机械受到启发的运动WSL（整个皮肤运动）是指一个生物，有一细长圆环形状的身体用来作为表面为牵引，皮肤是用来驱动通过循环的收缩与扩张。图1.一个单轴的变形虫的动力机构这种启发的新型运动策略，来自某些单一方式的细胞生物体，例如该变形虫（巨变形虫）的运动。这些生物体的运动是由细胞质环流过程（图1）所造生物启发的运动策略:在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人-3-成的，液态形式的细胞质流在内外质管中流动，并转化为凝胶状的外质前端的表层皮肤，最后在细胞质的外皮肤后部回复到液态的形式。这连续细胞内外质的转化是该变形虫向前运动的有效动力。如果不可能的话，直接用机器人模仿这细胞质环流的过程是很困难的事。因此，代替使用细胞质液体凝胶转型的过程，WSL使用一个灵活的长圆环形状的皮肤膜。这种皮肤可以拉长，然后在一个单一连续的运动中随意内外旋转，在变形虫外质管中有效地生成整体的细胞质环流运动（图2）。图3和图4显示了一个简单的实验，它使用一个灌满水的长的有弹性的有机硅皮肤环形管，以演示运动机构的可行性。图2.同心固体管整个皮肤运动模型通过驱动环的收缩（1a，2a，3a）及扩大（1b，2b，3b）产生的反转运动。（a）在0.0秒（b）在0.30秒（c）在0.46秒图3.预拉力弹性皮肤模型运动的一系列照片生物启发的运动策略:在机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人-4-图4.拉紧的绳索驱动模型运动的一系列照片机器人使用整个皮肤运动可以在与机器人相接触的环境中的任何表面上移动，不论是地面，墙壁或两边的障碍物，或天花板，因为整个皮肤是用于运动。与一弹力膜或网状的链接作为其外部皮肤，机器人可以很容易挤压在障碍之间或在倒塌的天花板下，使用所有的接触面为牵引向前迈进，或甚至挤压本身通过直径小于其名义宽度的孔。2.2利用被动式运动驱动概念的三足运动图5.STriDER:自激三足动态实验型机器人STriDER（自激三足动态实验型机器人）是一种新型的三足步行机器（图五），利用被动动力驱动的运动概念，动态步行与高能源效率和最小控制使用其独特的三足步态（图6）。不像其他的被动动态行走的机器，这种独特的三

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