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生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人生物啟發(fā)的運動策略：在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人摘要們的發(fā)展是基于弗吉尼亞理工大學器人技術(shù)和機械實驗室）使用生物啟發(fā)的新型運動策略。我們通過學習自然模型，然后模仿或獲取來自這些設計和進程中的靈感，為移動機器人的移動，應用和實施了新的方式。不同于大多數(shù)地面移動機器人使用的常規(guī)手段的運動，如車輪或軌道，這些機器人展示獨特的移動性特點，使在某些環(huán)境下運動困難的常規(guī)地面機器人變得適應。這些新型的地面機器人，包括：整個皮膚運動機器人，它從似變形蟲的運動機械受到啟發(fā)；三條腿的 機器人 三 動 實驗型機器人）， 用 動的 動式運動； 機器人 的機器人 ）使用 在 的環(huán)境中；人形機器人 人 機器人）使用動 ；移動性 的機器人￠￡?￥? 的 移動§用了一'新型車輪和腿“ 運動的策略。?于??們 后–?它們的性 ??面·的 ?進 ??。?”?動，移動機器人。 11…‰ ?中 的`′后，在? 地（911?ˉ?˙中¨ 的…‰ ?中 ??）， ??ˇ 機器人計— 室從機器人 和 中得到 ， 在為 ?的一 a 中 ，機器人的移動性是 為??機器人技術(shù)的一個?要o 性 是 ? 和 。 a 進一 ，用機器人在? 地 使用軌道 動器一???于車輪在不§?的地面，不過， ￠ 的運動策略必須 進一 調(diào)查。不同與空中或海?運輸?shù)能囕v在 們的旅 區(qū)域 幾乎可?達到 何一個?的地，今天使用的大?分地面車輛，在穿越大障礙和攀登陡坡時￠困難，這是由于 ￠o的移動性，尤 是在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下。著機器人 技術(shù)的進 ，和移動機器人在新的應用領域增 ，機器人替換基礎運動機械的需要，這可?使它們在 調(diào)遣到復雜的非結(jié)構(gòu)化地形中時變得至? 要。??地面車輛的運動的方法是基于車輪，鐵軌或 條腿，自身的長處和短處。為了使移動機器人適應一個地區(qū)的復雜地形，一'新的運動方法是必要的。例如，為了 夠找到 困在¨ 大樓中的人，–需要身處狹窄拐角的機器人 夠在瓦礫下或之間移動。??的運動方法，可?做到這項工 的一?分，但在實現(xiàn)些功 時， 們卻只￠￠o的?功。1生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人我們通過學習自然模型，然后模仿或獲取來自這些設計和進程中的靈感，為移動機器人的移動，應用和實施了新的方式。在本文中，我們呈現(xiàn)了5個地面移動機器人，它們的發(fā)展是基于弗吉尼亞理工大學的器人技術(shù)和機械實驗室）使用的生物啟發(fā)的新型運動策略。不同于大多數(shù)地面移動機器人使用的常規(guī)手段的運動，如車輪或軌道，這些機器人展示獨特的移動性特點，使在某些環(huán)境下運動困難的常規(guī)地面機器人變得適應。個皮膚運動）是 一個生物，￠一細長圓環(huán)形狀的身體用來 為表面為牽引，皮膚是用來 動通過循環(huán)的收縮與擴張。構(gòu)這'啟發(fā)的新型運動策略，來自某些單一方式的細胞生物體， 例如 變形蟲 （巨變形蟲）的運動。這些生物體的運動是由細胞質(zhì)環(huán)流過程（圖1 ） 形式的細胞質(zhì)流在 外質(zhì)管中流動， 轉(zhuǎn)化為凝膠狀的外質(zhì)?端的表層皮膚，最后在細胞質(zhì)的外皮膚后?回復到液 的形式。這連續(xù)細胞 外質(zhì)的轉(zhuǎn)化是 變形蟲向?運動的￠ 動 。如果不可 的?，直接用機器人模仿這細胞質(zhì)環(huán)流的過程是很困難的事。因 ，代替使用細胞質(zhì)液體凝膠轉(zhuǎn)型的過程，'皮膚可?拉長，然后在一個單一連續(xù)的運動中 意 外旋轉(zhuǎn)，在變形蟲外質(zhì)管中￠ 地生?整體的細胞質(zhì)環(huán)流運動（圖2 ）。圖3和圖4顯示了一個簡單的實驗，它使用一個灌滿水的長的￠彈性的￠機硅皮膚環(huán)形管，?演示運動機構(gòu)的可 性。2生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人圖2. 同 固體管整個皮膚運動模型 通過 動環(huán)的收縮（1a，2a，3a ）?擴大（1b，2b，3b ）產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)運動。（ a ） （ b ） （ c ）3. 拉 彈性皮膚模型運動的一 圖4. 拉 的 動模型運動的一 機器人使用整個皮膚運動可?在與機器人 接 的環(huán)境中的 何表面?移動，不?是地面， 或 的障礙物，或天 ，因為整個皮膚是用于運動。與一彈 膜或 狀的接 為 外?皮膚，機器人可?很 ? 在障礙之間或在¨ 的天 下，使用接 面為牽引向? 進，或 至 本身通過直 于 的 。 動式運動 動 的三 運動3生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人圖5. 三 動 實驗型機器人（自 三 動 實驗型機器人）是一'新型的三 機器（圖?） ， 用 動動 動的運動 ，動 與 ￠ ￡和最 ? 使用 獨特的三 （圖6 ）。不￥ 的 動動 的機器，這'獨特的三 運動機器人，是?三 ?§'“，它可??變方向，和?? ?使得它可實 4生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人圖6顯示單 三 的 。從開 的§6 （ a ）） ，機器人轉(zhuǎn)變 ，通過調(diào)整它的 個–? 接（圖6 （ b ）） ，機器人的身體 在?¨的方向·直于 地三角（圖6（ c ）） ，?軸?旋轉(zhuǎn)“ 為由 個??的”腿。?￥在機器人?¨時，中間的腿（…動腿） 自然…動到 地腿之間（圖6 （ d ））?‰?¨（圖6 （ e ））。由于腿接 地面，機器人 通過 ? 連接， `′ ，為下?的 （圖6 （f ）） ? 。三 的?”是自然…動運動的…動腿，和機構(gòu)?于?ˉ–???連接的 個 地腿。適˙的機械設計¨數(shù)（質(zhì) 和性 方面的ˇ ），用 動 結(jié)構(gòu)?展 動動動 運動 ，?最?o 的? 和 ￠ ?進 復運動。?變方向是在一個 ˙￠?的方式下ˇ ：通過?變— …動腿的 ，三 可?在0 °區(qū)間的方向移動機器人（圖7 ）圖7. 轉(zhuǎn)變方向的 ?略簡單的三 ? 的三 ￠很多?′ 過 它腿式機器人：它￠一個簡單的運動結(jié)構(gòu)（? 動物 ， 動物 ，或 動物）?‰ ”腿之間，一條腿和身體的 ， ˙'“（如 機三 ?）；簡單的? （? 動物）?因 運動是一個在 “方向的簡單下 ?? 下 ；它 是 ￠，在動 學?用 動動 運動 ;它 ，使它 發(fā) 到難?進 的領域，例如，它使? 和“§ 感器在 的§ 變得非常理?。5生物啟發(fā)的運動策略:的三 在 環(huán)境下的 膠 靈感來自 天 ??進實驗室的9 ） ，在弗吉尼亞理工大學的機器人技術(shù)和機械實驗室? 一' 機器人的?o§ 運動和如圖10 的機器人 ）￠6個4自由 的 體軸? 器人本體與動??點在 ?￠一個大的工 空間。可 換的?端ˇ 器/ 用于?o?'?o方面例如 在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，攀登，和靈?的 。圖9. 天 ??進實驗室的多 的機器人 的 軸? ??， ?連接到機構(gòu)，由一個三自由 動?的ˇ了一個 的運動類似于 髖??。中途沿是一'單自由 的ˇ 它 了一 類似的運動類似于肘或膝??。這'??使￠ 的工 空間。整個§機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人是大約16英寸，直 10英寸，身 與外表昆蟲或蜘蛛一樣。碳纖維復 體進 鋁聚 物電池， 腦，??可 換的 感器，包括立體 覺的接口 機。 由一個 級鋁框?和碳纖維復 材料外–骼皮膚建造。過轉(zhuǎn)口貨品中最大芯直流電動機通過分 式可變方式? 動。在端?，可 換?端ˇ 器/ 它用于?'實驗和應用。圖10. 的機器人 與 的機器人設計方法不同，它 求模仿生物學和工程 者 一，L 起￠缺乏一些必要的生物分子;生物分子專門用于 為一個設計工具。機器人的?的是沿著表面結(jié)構(gòu)移動，它的靈感來自于沿著底?和巖石之間移動的多 靈?的海洋生物。馬?可舉的例子便是章魚和海星， 中 們的顯著特點是軸? ， ?身體尺寸來說 ?長。軸? 機器人是全方§的，面?一個特“方向的移動或?省 昂貴運動。 外，長的 產(chǎn)生一個 闊的工 空間。中應用領域是在 情況下自?地在太空中檢查維修車輛和結(jié)構(gòu)。使用￠ 的機器人是最￠?途的技術(shù)，例如共聚物技術(shù); 使用機器腿在空間車輛或結(jié)構(gòu)的外表面爬 檢查和維修不過，使用￠ 的機器人在 的環(huán)境中創(chuàng)造了一整套新的問題和要求。在 環(huán)境中運動需要使用確保 于表面的方法，這可 是通過抓住在表面? 用磁鐵，吸杯的某些功 來 ?。它的靈感來自 在·直 ?爬和在天 ?下 的 ，未來版本的–使用 膠 在 的環(huán)境下 于表面，因為這是最￠?途的技術(shù)，使機器人 表面的運動和程變的'“。型車輪腿“ 運動策略§語言 是一'非結(jié)構(gòu)化環(huán)境無人 ，新型 流動性運動§11 ） 。 用單獨 動無框車輪輻條，它可?按 輪廓不?勻的表面，如路軌，越過大的障礙，如￠腿車輛，保留簡單的車輪（圖12 ）。因為它缺乏復雜的腿和?￠一個大型￠ 的（輪）直 ，這個 自適應性 可? ?地移動到?端的地形，同時保?一“的運 速 ，從而在 和 ，科學探 ，和進 ?的應用中￠很大的潛7生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人。圖11. 渲染圖象是用了 個 動車輪， 進 模 移動和適應地形的一些例子我們分析了運動學和模 機器人用 個 動車輪在§?地形?的運動，它們 用一個， 個，三個點 接 （圖13 ）。這表明一個點接 模式￠ 個自由 ，運動的輸 可? 意—“。這'模式– 機器人移動，同時為質(zhì) 中 保?恒“的 ，我們已經(jīng)通過模 進 了證明。至于這個模式的結(jié)果表明，通過?變方§角發(fā)生離散，采取措施?變不同的長 和左右車輪。 個點的接 方式顯示￠一個自由 ，— 一個 長，– 向§面的中 軸軌道 為確“的車輪角 函數(shù)。這'運動模式只用 個輪子便 靜 地'“ ，還可用于承受￠ 載荷。 三點接 結(jié)構(gòu)顯示為 的自由 ，但是在固“的中，它–￠額外的'“性，讓機器人?￠ 的立 之地。8生物啟發(fā)的運動策略:車輪? 自由 的不同模式的運動 圖?于瞬 轉(zhuǎn)變的 后得到開發(fā)，在逐漸轉(zhuǎn)變過程中￠三個接 點，迫使基 ?與機器人的軸?斜交（圖14 ）。 了 結(jié)構(gòu)，通過在 機構(gòu)中分析機器人獲得 為一個空間分析獲得的 形 一個 一?的運動學模型可?用來分析共面基 軸?和斜交基 ?的 '情況，?? 分析 個 動輪輻車輪 。的轉(zhuǎn)向策略 要驗證我們的模型分析和在下一 段項?的 ，我們已設計 了 一個輪輻車輪 動的樣機（圖 ）–用于生物啟發(fā)的運動策略: 運動的仿人機器人 人機器人與情a）是一'仿人機器人 和表演，￥人類一樣，它已發(fā)展?一個為?o機器人運動的?o§時 ?為弗吉尼亞理工大學的 ?進 2007 機器人…‰杯 的基礎§16，17）。 600 ， 4 的機器人￠21個自由 （通過分 式? 與可? 的無芯直流電動機進 動。 用計 機 覺 ? ?，在 ?的 性 ，和在 ?的多 感器， 越障礙時 ?人類一樣的 ， 夠越過不§?的復雜地形， ?復雜為，如 ?。圖和個項?的?續(xù)?o的? 是發(fā)展機器人§?o與¨ 2007 機器人…‰杯? ?的問題，（產(chǎn)生和實現(xiàn)一個動 ，使用 ?點? ，為了 運動規(guī)—和￠障，基于 覺的? ，在不§?地形下散 ， ?的復雜 為￡發(fā)展 法和策略）。10生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人圖17. 人 機器人個 ?的鋁–骼結(jié)構(gòu)與?速?型￥膠皮膚表面。它的?§和腿連接到機構(gòu)由三自由 動??點 了 的運動，與 和髖??類似。是? 與可變動。 機器人￠ 個2100 電池 為 電￠， 腦處理，三￡“??，?感器包括一個 覺接口 機和 下感器。??新版本的發(fā)展，在弗吉尼亞理工大學，2007 機器人…‰杯?在設計進 中，來自機械工程 和建 設計學–的?o生和 級本科生 ? 。們呈現(xiàn)了5個獨特的地面移動機器人，在弗吉尼亞理工大學使用了新型運動策略￠ 的移動性。 為證明，為發(fā)展這些機器人使用生物靈感和仿生學是?”。通過學習自然模型，然后模仿或獲取來自這些設計和進程中的靈感，為移動機器人在?'環(huán)境中具￠獨特移動性的移動，我們已經(jīng)?功地應用和實施了新方式。 鳴謝者?感? ·科學基 ￥（海??o 室（?” ? ?”?…?）? ‰ ??進實驗室（ 天 學– 學 項?）??弗吉尼亞理工大學 室和? 室`′人的?o（感? 們???的?o和開發(fā)， 感?工程?ˉ?（?續(xù)??這項工 ，通過弗吉尼亞理工大學ˇ 無人 ?實驗??o（ 感? 者的?o生道¨拉 ?馬英¨拉??馬 ?瓦 特??? ˇ— 和 這些項?11生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人of By we ((a it by a 1. n a 1] of on 9/11 at 機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人be in As of to of or of 2, 3]. In to a an of a of is a a to be to do of of 4]. s or we to In we of 2. [5, 6] is a a of of an is as a is by 機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人1. of a as of ( 1) at at of 7, 8]a is to do if of SL is by a of a of in a of 2)機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人2. by 1a, 2a, 3a) 1b, 2b,3b) SL a to of a) .0 (b) (c) 3. of of of 4. of of of is be it or on or an a of as or a or as 5]. of 5生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人5. ( is a 5) 9 1], to ( 6). is it to be 機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人6. 6 of 6 (a)), as of by of 6 (b)), of in to 6 (c)), by As in 6 (d))6(e)). As by 6 (f)). of of of is in a of of 0°7)17生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人7. he a (or it is a it is to a a it is in it is to it is it at 8. a 18生物啟發(fā)的運動策略:PL’s 12, 13] (9), is a in 0, ( ( at a it to be as in 9. PL’s s a 3 a of to a of is a OF a of to a 16 in 0 or a s it 19生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人10. to s 2]; as a As to of to is to a or a is of is VA to on of in a of of by on by of to on be to on in as is on 0生物啟發(fā)的運動策略:在機器人和機構(gòu)實驗室開發(fā)的新型地面移動機器人(