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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 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 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 态拟人 智能 机器人 ）使用动态 两足 步态 ；移 动性高的机器人 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 ，运动，移动机器人。 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 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。 动的策略 似变形虫的运动机械受到启发的运动 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 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 ， 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 （ b ）在 （ c ）在 图 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。 用被动式运动驱动概念 的三足运动 图 5. 激 三足 动态实验 型 机器人 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 - 5 - 足 运动机器人，是 以 三脚架 位置达到固有 的稳定 ， 它 可以改变方向， 和 比较容易 操作 ，使得它可 实际 地 应用于现实生活中 。 图 足 步态 图 6 显示单步 三足 步态 的概念 。从开始的位置（图 6 （ a ） ） ，机器人转变其 重 心 ，通过调整它的两个骨盆链接（图 6 （ b ） ，机器人 的身体 能在跌倒的方向垂直 于落地三角 （图 6（ c ） ） ， 绕 轴 线旋 转 定义 为 由两个支持的双腿。 正像 在 机器人跌倒 时 ，中 间的 腿 （摆动腿） 自然 摆 动 到 两 落地 腿 之间（图 6 （ d ） ） 防止跌倒 （图 6 （ e ） ） 。由于所有三腿接触地面，机器人重置姿态 通过激励其连接 ，储存 势能，为下次的步态（图 6 （ f ） ） 作准备 。三足 步态 的关键 是自然摆动 运动 的摆动腿， 和 机构关于 均衡 骨盆关节连接 的 两个 落地 腿。 适当的机械设计参数（质量和性能方面的联系） ， 用其 动态结构拓展 驱动被动动力运动概念， 以 最低限度的控制和 能源消耗进行 反复 运动。 步态 改变方向 是 在 一个相当有趣的方式 下执行 ：通过改变 选择 摆动腿 的序列 ， 三足 步态可以 在每一步 60 区间的方向 移动机器人（图 7 ） 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 - 6 - 图 7. 转变方向 的 步态战略 简单的三脚架配置和 三足 步态有很多优势超过其 它 腿式机器人 ：它有一个简单的运动结构（对 两足动物 ， 四足动物 ，或 六足动物 ）防止其双腿之间，一条腿和身体的 冲突， 相当 稳定（如照相机三脚架） ；简单 的控制（对两足动物 ） 正 因 该 运动 是一个 在预定方向 的简单 下降 及 控制其 下降 ；它又是高效能源， 在动力学 上 用其内置开发驱动被动动力运动概念 ;它重量轻，使它能发射 到难 以进入的领域 ，例如，它使 部署和定位传感器在高的位置进行监视 变得非 常理想。 图 骤 的三足 步态 的 实验装备 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 - 7 - 行在零重力环境 下 的干胶粘剂壁虎脚 灵感来自美国航天局喷气推进实验室的 器人（图 9 ） ，在弗吉尼亚理工 大学的机器人技术和 机械实验室 研制一种六足机器人的研究 平台 ，多肢运动 和操纵。如图 10 所示， 多附庸的机器人系统 ） 有 6 个 4 自由度 的肢体 轴对称 布置， 机器人本体与动球节点在肩膀上 有一个 大的工作空间。可互换 的末端执行器 /脚 允许 其 用于研究各种研究 方面 例如走 在非结构化环境，攀登，和灵巧的操控任务。 图 9. 美国航天局喷气推进实验室 的 多附庸的机器人系统 的六轴对称安排，四肢均连接到机构，由一个三自由度动球的联合提供了一个广泛的 运动 类似 于 肩髋关节。中途沿每个肢体是一种单自由度的联 合它 提供了一系列类似的 运动类似于 肘或膝关节。这 种 安排使每个肢体有广泛的工作空间。整个平台是大约 16 英寸，直径 10 英寸 ，身高与外表昆虫或 蜘蛛一样 。碳纤维复合体进行 铝聚 合物 电池， 单板电脑，以及可互换的传感器，包括立体视觉的 接口 相机。四肢 由 一个轻量级铝框架和碳纤维复合材料外骨骼皮肤建造 。每一联合 通过 转口货品中最大芯直流电动机通过分布 式可变 方式 控制 驱动。在 每个肢体端部 ， 可互 换 末端执行器 /脚允许 它用于各种实验和应用。 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 - 8 - 图 10. 附庸的机器人系统 与 其他的机器人设计方法 不同 ， 它 力求模仿生物学和工程两者 统一 ， 些 必要的生物分子 ;生物分子专门用于作为一个设计工具。 机器人的 目的 是沿着表面 结构 移动 ， 它的 灵感 来自于 沿着底部和岩石之间 移动的 多肢灵巧 的 海洋生物 。 马上可举的 例子 便 是 章鱼 和海星，其中 他们的 显著特点是 轴对称 ， 相对身体尺寸 来说 四肢 较 长。轴对称 机器人是全方位 的 ， 面对一个特定方向 的移 动或操纵 ， 节省 其 昂贵 运动。此外，长 的 四 肢 又能 产生一个 广阔 的工作 空间 。 其中 一个重要应用领域 是 在零重力 情况下自主地 在 太空中 检查 维修车辆和 结构 。使用 有 肢 的 机器人是最有前途的技术，例如 共聚物技术 ; 使用机器 腿 在 空间车辆或 结构的 外表面 爬行 检查和维修 操作 。不过，使用 有 肢 的 机器人在零重力的环境中创造了 一整 套新的问题和要求。 在零重力 环境中 运动 需要使用确保其 脚 步行 于 表面的方法 ， 这可能是 通过 抓住在表面上利用磁铁，吸杯 的 某些功能 来 完成 。 它的 灵感 来自 壁虎 在 垂直 墙壁 上 爬 行 和 在天花板 上下 步行 的能力 ，未来版本的 使用干胶粘剂 脚 在零重力的环境 下行走于 表面 ，因为这是最有前途的技术， 使 机器人 行走 表面 的 运动和操 作 过程变的 稳定 。 种新型车轮腿混合运动策略 智能平台的流动性与积极 语言 系统 是一种 非结构化环境无人系统 ， 新型高流动性运动平台 （图 11 ） 。利用 单独驱动 无框 车轮辐条， 它可以按照轮廓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 - 9 - 不均匀的表面 ，如 路轨 ，并 越过 大的障碍 ，如有 腿车辆 ，保留简单的车轮 （图12 ） 。 因为它缺乏复杂的腿和拥有一个大型有效的（轮） 直径，这个高度自适应 性 系统可以 轻易地 移 动 到极端的地形，同时保持 一定 的 运 行速度，从而 在 搜索和救援任务，科学探索，和 进行 反恐的 应用中 有很大的潜 力 。 图 版本 ， 使用 了 两个驱动车轮，并 进行 模拟 图 于移 动和适应地形 的 一些例子 我们分析了运 动学和模拟机器人 用两个驱动车轮 在平坦地形 上 的 运动，它们利 用每个车轮 结构 上 的 一个 ， 两个，三个点 相 接触 （图 13 ） 。这表明一个点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 - 10 - 接触模式有两个自由度 ，运动的 输出可以任意选定。这种模式将允许 机器人 移动，同时为 质量 中心保持恒定的高度 ，我们已经 通过 模拟 进行了 证明 。至于这个模式的结果表明，通过改变 方位 角 发生离散 ， 采取 措施改变 不同 的 长度 和 左右车轮。 两个点的 接触 方式显示有一个自由度， 选 择一 个 步长 ， 将 径向平 面 的中心轴 轨道视为 确定的 车轮角 度 函数 。这种 运动模式只 用 两个轮子 便 能 静态 地稳定行走， 还 可用于 承受 有效 重 载荷。 三 点接触 结构 显示为零的自由度， 但 是在固定的任务 中， 它 将 有 额外的稳定 性 ，让机器人 拥有更 广泛的 立足之地 。 图 驱动车轮及其自由度 的 不同 模式 的 运动 系统 图 关于 瞬态 转变的 概念 随后得到 开发 ，在逐渐转变过程中 有三个 接触 点 ， 迫使 基准线 与机器人 的 轴 线 斜交 （图 14 ）。深入了解此 结构 ， 通过在此 机构 中分析机器人获得 作为一个 空间机 构 。从空间分析 获得 的见解 能 形容一个更一般的运动 学模型可以用来分析 共面 基准 轴线和斜交 基准线的 两种情况 ，以及允许 分析 影响 驾驶两个驱动 轮辐车 轮 差异 。 图 动 的转向策略 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 - 11 - 要验证我们的 模型 分析和 在下一阶段项目 的概念 评估，我们已设计并制作了 第一 个轮辐车轮 驱动 的 样机 （图 15 ）将用于 图 动的 样机 足 运动的仿人机器人 态拟人机器人与情报）是一种仿人机器人能 两足行走 和表演 ，像人类 一样 ， 它已 发展成 一个 为研究机器人运动 的 研究平台 ， 同时 也 成 为弗吉尼亚理工大学的 首次进入 2007 年 机器人世 界杯 竞争 的 基础平台 （ 图 16， 17）。该 高 600 毫米 ，重 4 公斤的机器人有 21 个自由度 （ ， 每一 关节 通过分布式控制与可控 顺序的无 芯直流电动机 进行 驱动。利用计算机视觉系统对头部，在躯干 上的 惯性测量组合，和 在 脚 上的 多力传感器， 以 在超越障碍时完成 人类一样的步态 ， 能够 越过不 平坦 的复杂 地形， 完成复杂 行为，如踢足球。 图 统 图和 型 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 - 12 - 对 这 个 项目 的 持续 研究 的目标 是发展机器人平台，并研究 与 参加 2007 年机器人 世界杯 比赛 相关的问题，（ 产生 和 实现 一个动态 步态 ， 使用零力矩点控制 ，为了 智能运动规划和避障，基于视觉的控制， 在不 平坦地形下散步， 踢足球 的复杂 行为等 发展算法和策略 ） 。 图 17. 态拟人 智能 机器人 一个轻巧的铝骨骼结构与快速 成 型塑胶皮肤 表面 。 它的 胳膊和腿连
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