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机械毕业设计全套

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JCJD01-039@实验型数控铣床设计,机械毕业设计全套

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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。 .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nts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nts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 nts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nts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 6.单步 三足 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 ） nts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 STriDER 的 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 8.一个单一 步骤 的三足 步态 的 实验装备 nts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 - 2.3 步行在零重力环境 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 LEMUR 机器人（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， MARS（ 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 LEMUR IIa 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， PC104 的单板电脑，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。 nts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. MARS:多附庸的机器人系统 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 ， LEMUR的起源缺乏 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 MARS 的 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 MARS 将使用干胶粘剂 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 。 2.4 一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nts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 11.此渲染图象是 IMPASS 的 版本 ， 使用 了 两个驱动车轮，并 进行 模拟 图 12.IMPASS 关于移 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nts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 13.一个单一 的 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 SPPS 的空间机 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 14.轮辐车轮 驱动 的转向策略 nts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 IMPASS。 图 15.轮辐车轮 驱动的 样机 2.5 两足 运动的仿人机器人 DARwIn（动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 （ DOF） ， 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， DARwIn 可以 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 16.运动 系统 图和 DARwIn 的 CAD 模型 nts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. DARwIn：动态拟人 智能 机器人 DARwIn 有一个轻巧的铝骨骼结构与快速 成 型塑胶皮肤 表面 。 它的 胳膊和腿连接到机构由三自由度动球节点提供了广泛的 运动 ， 与 肩和髋关节 类似 。 每一关节 是 Maxon 的转口货品中最大芯直流电动机通过分布式控制与可变 原则 驱动。 该机器人有两个 2100 mAh/7.4v 铝聚合物 电池作为其电源， PC104 的单板电脑处理，三率陀螺仪，跟踪 机体 的方向 和各种传感器包括一个 视觉接口 相机和 脚下 八 个 力传感器 。 目前 新版本的 DARwIn 正在发展 ， 在弗吉尼亚理工大学 ，2007 年 机器人世界杯 正在设计 进行 中， 来自 机械工程 系和 建筑设计 学 院的 研究生和高级本科生 相互 协作 。 3.结论 在本文中，我们 呈现 了 5 个独特的地面移动机器人 ， 在 RoMeLa 的发展下 ，在弗吉尼亚理工大学使用 了 新型运动 策 略 有 高度 的移 动性。作为证明， 为发展这些机器人 使用 生物灵感和仿生学 是关键 。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 ， 为移动机器人在各种环境中具有独特 移 动性nts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 - 13 - 的 移动， 我们已 经 成功地应用和实施 了 新 方式 。 鸣谢 作者想 感谢美国国家科学基金会（ No.IIS-0535012） 、 海军 研究 办公 室（ No.N00014-05-1-0828） 、 美国宇航局喷气推进实验室（美国航天局学院奖学金项目）以及弗吉尼亚理工大学办公室和副总统办公室 负责人的 研究（ ASPIRES）， 感谢他们对 军 队的 研究 和 开发 ， 感谢 工程司令部（ RDECOM）为 继续支持这项工作 ， 通过弗吉尼亚理工大学联合无人 操作 系统 所做的 测试 、实验 及 研究（ JOUSTER）， 并感谢 作者 的 研究生道格 拉内 、 马克英格拉姆 、 马克肖瓦尔特 、 杰里米 西斯顿 和 卡尔 米艾克 就这些项目 所做的 工作。 nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 1 - Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa Abstract-This paper presents some of the ground mobile robots under development at the Robotics and Mechanisms Laboratory (RoMeLa) at Virginia Tech that use biologically inspired novel locomotion strategies. By studying natures models and then imitating or taking inspiration from these designs and processes, we apply and implement new ways for mobile robots to move. Unlike most ground mobile robots that use conventional means of locomotion such as wheels or tracks, these robots display unique mobility characteristics that make them suitable for certain environments where conventional ground robots have difficulty moving. These novel ground robots include; the whole skin locomotion robot inspired by amoeboid motility mechanisms, the three-legged walking machine STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot) that utilizes the concept of actuated passive-dynamic locomotion, the hexapod robot MARS (Multi Appendage Robotic System) that uses dry-adhesive “gecko feet” for walking in zero-gravity environments, the humanoid robot DARwIn (Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence) that uses dynamic bipedal gaits, and the high mobility robot IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System) that uses a novel wheel-leg hybrid locomotion strategy. Each robot and the novel locomotion strategies it uses are described, followed by a discussion of their capabilities and challenges. Keywords - Bio-inspiration, locomotion, mobile robots. 1. Introduction In a report 1 prepared for the Office of the Secretary of Defense Joint Robotics nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 2 - Program on the lessons learned from the robot assisted search and rescue efforts at Ground Zero following the 9/11 World Trade Center tragedy, robot mobility is noted as one of the major limitations of current robotic technology for such missions. The report further states that all the robots employed at the Ground Zero site used track drives which are generally superior to wheels on uneven ground; however, other alternative locomotion strategies which are more effective must be further investigated. Unlike aerial or marine vehicles which can reach almost any destination point in their travel domain, most ground vehicles used today have difficulty traversing overobstacles and climbing steep inclines due to their limited mobility, especially in unstructured environments. As the technology of robotics intelligence advances, and new application areas for mobile robots increase, the need for alternative fundamental locomotion mechanisms for robots that can enable them to maneuver into complex unstructured terrain becomes critical. Current methods of ground vehicle locomotion are based on wheels, tracks or legs, and each of these methods has its own strengths and weaknesses 2, 3. In order to move a robot into an area of complex terrain a new method of locomotion is needed. For example, to be able to find people trapped in a collapsed building, a robot would need to be able to move over, under and between rubble, and maneuver itself into tight corners. Current methods of locomotion can do some part of this, but they have only had limited success in achieving all of these capabilities 4. By studying natures models and then imitating or taking inspiration from these designs and processes, we apply and implement new ways for mobile robots to move. In this paper we present five of the ground mobile robots under development at the Robotics and Mechanisms Laboratory (RoMeLa) at Virginia Tech that use biologically inspired novel locomotion strategies. Unlike most ground mobile robots that use conventional means of locomotion such as wheels or tracks, these robots display unique mobility characteristics nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 3 - that make them suitable for certain environments whereconventional ground robots have difficulty moving. 2. Biologically Inspired Novel Locomotion Strategies 2.1 Locomotion inspired by amoeboid motility mechanisms Whole Skin Locomotion (WSL) 5, 6 is a biologically which has a body of a shape of an elongated torus, is used as a surface for traction and that the skin is used for the actuation by cycling through contraction and expansion. Fig. 1. Motility mechanism of a monopodial amoeba The inspiration for this novel locomotion strategy comes from the way certain single celled organisms, such as the Amoeba proteus (giant amoeba) move. The motion of these organisms is caused by the process of cytoplasmic streaming (Fig. 1) where the liquid form endoplasm that flows inside the ectoplasmic tube transforms into the gel-like ectoplasm outer skin at the front, and the ectoplasm outer skin at the end transforms back into the liquid form endoplasm at the rear. The net effect of this continuous ectoplasm-endoplasm transformation is the forward motion of the amoeba 7, 8. Directly imitating this cytoplasmic streaming process with a robot is very difficult to do if not possiblee. Thus, instead of using the process of liquid to gel transformation of cytoplasm, the WSL is implemented by a flexible membrane skin in the shape of a long torus. The skin of this elongated torus can then rotate in a fashion of turning itself inside out in a single continuous motion, effectively generating the overall motion of the cytoplasmic streaming nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 4 - ectoplasmic tube in amoebae (Fig. 2). Fig. 2. Everting motion generated by the contracting (1a, 2a, 3a) and expanding (1b, 2b, 3b) actuator rings for the concentric solid tube WSL model. Figures 3 and 4 show simple experiments using a long elastic silicone skin toroid filled with water to demonstrate the feasibility of the locomotion mechanism. (a) At 0.0 sec (b) At 0.30 sec (c) At 0.46 sec Fig. 3. Sequence of pictures of the locomotion of the pre tensioned elastic skin model Fig. 4. Sequence of pictures of the tension cord actuated model locomotion A robot that uses WSL can move as long as any surface of the robot is in contact with the environment, be it the ground, walls or obstacles on the nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 5 - side, or the ceiling, since the entire skin is used for locomotion. With an elastic membrane or a mesh of links acting as its outer skin, the robot can easily squeeze between obstacles or under a collapsed ceiling, and move forward using all of its contact surfaces for traction, or even squeeze itself through holes with diameters smaller than its nominal width as demonstrated in 5. 2.2 Tripedal locomotion utilizing the concept of actuated passive-dynamic locomotion Fig. 5. STriDER: Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot) is a novel three-legged walking machine (Fig. 5) that exploits the concept of actuated passive dynamic locomotion 9 to 11, to dynamically walk with high energy efficiency and minimal control using its unique tripedal gait (Fig. 6). Unlike other passive dynamic walking machines, this unique tripedal locomotion robot is inherently stable with its tripod stance, can change directions, and is relatively easy to implement, making it practical to be used for real life applications. nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 6 - Fig. 6. Single step tripedal gait Fig. 6 shows the concept of the single step tripedal gait. From its starting position (Fig. 6 (a), as the robot shifts its center of gravity by aligning two of its pelvis links (Fig. 6 (b), the body of the robot can fall over in the direction perpendicular to the stance triangle (Fig. 6 (c), pivoting about the line defined by the two supporting legs. As the robot falls over, the leg in the middle (swing leg) naturally swings between the two stance legs (Fig. 6 (d)and catches the fall (Fig. 6 (e). As all three legs contact the ground, the robot resets its posture by actuating its joint, storing potential energy for its next gait (Fig. 6 (f). The key to this tripedal gait is the natural swinging motion of the swing leg, and the flipping of the body about the aligned pelvis joints connecting the two stance legs. With the appropriate mechanical design parameters (mass properties and dimension of the links), this motion is repeated with minimal control and power consumption exploiting the actuated passive dynamic locomotion concept utilizing its built in dynamics. Gaits for changing directions are implemented in a rather interesting way: by changing the sequence of choice of the swing leg, the tripedal gait can move the robot in 60 interval directions for each step (Fig. 7) nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 7 - Fig. 7. Gait strategies for changing directions The simple tripod configuration and tripedal gait of STriDER has many advantages over other legged robots; it has a simple kinematic structure (vs. bipeds, quadrupeds, or hexapods) that prevents conflicts among its legs and between a leg and the body; it is inherently stable (like a camera tripod); it is simple to control (vs. bipeds) as the motion is a simple falling in a predetermined direction and catching its fall; it is energy efficient, exploiting the actuated passive dynamic locomotion concept utilizing its built in dynamics; it is lightweight enabling it to be launched to difficult to access areas; and it is tall making it ideal for deploying and positioning sensors at high position for surveillance, for example. Fig. 8. Experiment setup for a single step tripedal gait nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 8 - 2.3 Dry-adhesive gecko feet for walking in zero gravity environments Inspired by NASA JPLs LEMUR class robots 12, 13 (Fig. 9), RoMeLa at Virginia Tech is developing a hexapod robotic platform for research in multi-limbed ocomotion and manipulation. Shown in figure 10, the Multi Appendage Robotic System (MARS) has six 4-degree-of-freedom (DOF) limbs arranged xi-symmetrically about the robot body with kinematically spherical joints at the shoulder for a large workspace. Interchangeable end-effector/feet allow it to be used for studying various research areas such as walking in unstructured environments, climbing, and for dexterous manipulation tasks. Fig. 9. NASA JPLs LEMUR IIa MARSs six axi-symmetrically arranged limbs are each connected to the body by a 3 DOF kinematically spherical joint which provides a wide range of motion similar to a shoulder of hip joint. Midway along each limb is a single DOF joint which provides a range of motion similar to an elbow or knee joint. This arrangement allows each limb to have a wide workspace. The entire platform is approximately 16 inches in diameter standing 10 inches tall with the appearance of an insect or spider. The carbon fiber composite body carries Li-Poly batteries, a PC104 single board computer, and interchangeable sensors including nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 9 - stereovision Firewire cameras. The limbs are constructed with a lightweight aluminum frame and carbon fiber composite exoskeleton skin for stiffness. Each joint is actuated by Maxons RE-max coreless DC motors via distributed control withvariable compliance. At the end of each limb, interchangeable end-effector/feet allow it to be used for various experiments and applications. Fig. 10. MARS: Multi Appendage Robotic System Unlike other robot design approaches that seek to mimic biology and engineering together, LEMURs origins lack any necessary biological elements 12; biological elements are used exclusively as a design tool. As the robot is intended to move along the surface of the structure, inspiration was taken from multi-limbed, dexterous sea creatures that tend to move along the bottom and among rocks. Immediately applicable examples are octopi and starfish which are notable for their axi-symmetry. The creatures limbs are long relative to body size. Being axi-symmetric, the robot is omni directional, saving operationally expensive movement to face a particular direction for mobility or manipulation. Also, the long limbs generate a generous workspace. One of the key application areas of MARS is autonomous in-space inspection and maintenance of space vehicles and structures nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 10 - in zero gravity. Using limbed robots is the most promising technology for such EVA tasks; to crawl outside on the outer surface of space vehicles or structures using legs for inspection and maintenance operations. However using limbed robots in zero gravity environments creates a whole new set of problems and requirements. Locomotion in zero gravity environments requires using methods of securing its feet to the walking surface. This may be accomplished by grabbing certain features on the surface, using magnets, suction cups. Inspired by the ability of geckos to climb vertical walls and walk upside down on the ceiling, future version of MARS will be using dry adhesive feet to walk on surfaces in zero gravity environments as this is the most promising technology for stabilizing the robot on its walking surface for locomotion and for manipulation tasks. 2.4 A novel wheel-leg hybrid locomotion strategy IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System) is a novel high mobility locomotion platform for unmanned systems in unstructured environments 14 to 16 (Fig. 11). Utilizing rimless wheels with individually actuated spokes, it can followthe contour of uneven surfaces like tracks and step over large obstacles like legged vehicles while retaining the simplicity of wheels (Fig. 12). Since it lacks the complexity of legs and has a large effective (wheel) diameter, this highly adaptive system can move over extreme terrain with ease while maintaining respectable travel speeds, and thus has great potential for search-and-rescue missions, scientific exploration, and anti-terror response applications. Fig. 11. Rendered image of a version of IMPASS using two actuated spoke wheels and a nts Biologically Inspired Locomotion Strategies: Novel Ground Mobile Robots at RoMeLa - 11 - mock up of the system Fig. 12. Some examples of the mobility and terrain adaptability of IMPASS We have analyzed the kinematics and simulated the motion of a robot using two actuated spoke wheels on flat terrain using a one-, two-, and three-point contact per wheel scheme (Fig. 13). It is shown that the one-point contact mode has two degrees of freedom and that the motion output can be arbitrarily selected. This mode would allow for moving while maintaining a constant height for the center of mass, which we have demonstrated by simulation. Turning for this mode is shown to occur discretely by changing the heading angle for every step by taking steps of different lengths with the right and lef