1、關(guān)于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)關(guān)于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定穩(wěn)定平衡平衡性的研究性的研究 -張琪張琪我對(duì)于課題的初步認(rèn)知 當(dāng)前，機(jī)器人已成為家喻戶曉的“大明星”，它迅速發(fā)展并對(duì)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索，以及人類(lèi)生活的各方面產(chǎn)生越來(lái)越大的影響，在減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，改變生產(chǎn)模式，把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的工作環(huán)境下解放出來(lái)等方面，顯示出極大的優(yōu)越性。 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人海洋機(jī)器人海洋機(jī)器人 太空機(jī)器人太空機(jī)器人 在特殊用途領(lǐng)域，對(duì)能在復(fù)雜環(huán)境下行走的特種機(jī)器人的需求日益增加，人們要求機(jī)器人不僅能適應(yīng)結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境，更要能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的，未知環(huán)境。 機(jī)器人按行走機(jī)構(gòu)分類(lèi) 主要分為三大類(lèi)輪式履帶式雙足、四足及多

2、足式 輪式機(jī)器人履帶式機(jī)器人 四足機(jī)器人足式機(jī)器人在地球表面，有超過(guò)50%以上的面積為崎嶇不平的山丘或沼澤，不適合輪式或履帶式器械在其上面行走。在這種環(huán)境下，足式機(jī)器人有著輪式和履帶式機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：足式機(jī)器人可以利用孤立的地面支撐而不是輪式機(jī)器人所需的連續(xù)地面支撐，在可能到達(dá)的地面上可以選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，更能夠適應(yīng)不平坦的地面，因此具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性；另外，其腿部所具有的多個(gè)自由度使其具有良好的運(yùn)動(dòng)靈活性，這些特點(diǎn)使得足式機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化、存在不確定因素的環(huán)境中工作具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。因此，足式機(jī)器人成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。課題研究目的與意義 課題研究目的高適應(yīng)性高動(dòng)態(tài)能力高

3、負(fù)載能力為了滿足野外環(huán)境系統(tǒng)性應(yīng)用需求四足機(jī)器人應(yīng)具備:尤其是在受到自然環(huán)境對(duì)其造成各種外力擾動(dòng)作用下的自主穩(wěn)定平衡控制能力，這將直接決定四足機(jī)器人執(zhí)行野外任務(wù)的可能性和可靠性。目前的技術(shù)狀態(tài)低速靜態(tài)穩(wěn)定無(wú)擾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室研究階段 意義:由于四足機(jī)器人是一個(gè)冗余驅(qū)動(dòng)、時(shí)變拓?fù)涞亩嘀ф溝到y(tǒng)，其高緯度的狀態(tài)變量導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模十分龐大，直接對(duì)其進(jìn)行整體分析較為困難。如何通過(guò)借鑒仿生學(xué)領(lǐng)域研究成果提出各種等效簡(jiǎn)化模型，通過(guò)合理降階來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)四足機(jī)器人高速動(dòng)態(tài)的有效控制意義重大。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 四足機(jī)器人的概念最早可追溯到中國(guó)古代三國(guó)時(shí)期的“木牛流馬”，而外國(guó)有據(jù)可查的記載是1893年發(fā)明的機(jī)械馬。此后四足機(jī)器

4、人經(jīng)歷一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，按照控制方式不同可大致歸納為三個(gè)發(fā)展階段。第一階段人工參與的機(jī)械和液壓控制階段第二階段電子計(jì)算機(jī)控制階段第三階段融合感知、規(guī)劃、行動(dòng)與交互的自主或與人共存各個(gè)階段的實(shí)例簡(jiǎn)介 第一階段： 代表成果為1968年美國(guó)通用公司Mosher等人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的四足步行機(jī)“Walking Truck”。其控制方式為人工駕駛，駕駛員通過(guò)手、腳控制與之連接的液壓操縱手柄，和腳踏板實(shí)現(xiàn)控制，這一成果被視為現(xiàn)代機(jī)器人 發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。 Walking Truck 第二階段： 1968年，F(xiàn)rank 和McGhee完成了第一臺(tái)自動(dòng)控制四足機(jī)器人“Phony Pony”，

5、這標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)控制階段的開(kāi)始。 Phony Pony 進(jìn)入20世紀(jì)90年代 ，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿生學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，四足機(jī)器人也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，涌現(xiàn)了一大批具有代表性的四足仿生機(jī)器人，入日本東京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的TITAN系列機(jī)器人，美國(guó)斯坦福大學(xué)等人開(kāi)發(fā)的Kolt四足機(jī)器人 ，可實(shí)現(xiàn)較快速的溜蹄、小跑、跳躍等步態(tài)。TITAN VIIIkolt這些四足機(jī)器人已經(jīng)可以通過(guò)控制算法實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)并能夠完成簡(jiǎn)單的任務(wù)。 第三階段 伴隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和提高，人們對(duì)四足機(jī)器人的功能性和自主性需求越來(lái)越來(lái)越高。研究人員更多的著眼于提高四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和自主適應(yīng)性。提高出了更為智能的控

6、制算法。最具代表性的成果為在美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）支持下，由Boston Dynamics 公司研制的一種能在戰(zhàn)場(chǎng)上幫助士兵運(yùn)輸物資的四足機(jī)器人“BigDog”。 Boston Dynamics公司曾測(cè)試過(guò)BigDog，這只機(jī)器狗與真狗一般大小，它能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮重要作用:為士兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品。其原理是,由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)能夠帶動(dòng)其有關(guān)節(jié)的四肢運(yùn)動(dòng)。陀螺儀和其他傳感器幫助機(jī)載計(jì)算機(jī)規(guī)劃每一步的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人依靠感覺(jué)來(lái)保持身體的平衡，如果有一條腿比預(yù)期更早地碰到了地面,計(jì)算機(jī)就會(huì)認(rèn)為它可能踩到了巖石或是山坡,然后BigDog就會(huì)相應(yīng)地調(diào)節(jié)自己的步伐。國(guó)內(nèi)情況 近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高等學(xué)校和科研院所都先后展開(kāi)了四足機(jī)器人的相關(guān)研究。具有代表性的成果上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的四足機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的足-輪混合式式四足機(jī)器人，國(guó)防科技大學(xué)等單位研制的四足機(jī)器人。這些四足機(jī)器人大都采用功率密度一體化驅(qū)動(dòng)單元，自帶動(dòng)力源，配備機(jī)身慣導(dǎo)系統(tǒng)、關(guān)節(jié)角度傳感器、足端三維力傳感器等，能實(shí)現(xiàn)50千克負(fù)重下豎直起蹲、單腿輪換站立、直線對(duì)角小跑、10爬坡、原地踏步等