四足機(jī)器人仿生控制方法及行為進(jìn)化研究.pdf

1、足式機(jī)器人是近年來機(jī)器人研究一個(gè)比較活躍的領(lǐng)域，其涉及機(jī)器人學(xué)、生物學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等，因其不同于傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，得到了各國科學(xué)家的大力關(guān)注，其中又以四足機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)和控制方法的相對(duì)簡(jiǎn)單成為足式機(jī)器人的一個(gè)理想研究對(duì)象。四足機(jī)器人不但可以應(yīng)用在軍事、行星探測(cè)、救災(zāi)等領(lǐng)域，而且在家庭娛樂、仿生學(xué)等領(lǐng)域大顯身手。 在國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金及中國科學(xué)院創(chuàng)新基金的資助下，本文對(duì)四足機(jī)器人的仿生控

2、制和行為進(jìn)化進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容包括： 1、對(duì)四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)器官結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)四足機(jī)器人的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，并成功研制出了四足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。 2、設(shè)計(jì)了一種具有本體感覺的中樞模式振蕩器；早期的基于仿生學(xué)的控制方法只是簡(jiǎn)單的模仿生物的一些基本行為和功能，這在執(zhí)行一些相對(duì)固定、簡(jiǎn)單的任務(wù)時(shí)沒有問題，但是對(duì)于復(fù)雜的任務(wù)和環(huán)境時(shí)就顯得有些力不從心了；隨著生物學(xué)和神經(jīng)學(xué)研究的不斷發(fā)展，為四足機(jī)器人的仿生控

3、制帶來了新的概念和方法；本文采用基于仿生學(xué)的運(yùn)動(dòng)控制原理，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有本體感覺的中樞模式振蕩器(CPG，CentralPatternGenerator)，并在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。 3、引入生物學(xué)中的反射概念和神經(jīng)學(xué)中的動(dòng)態(tài)連接機(jī)理，并與中樞模式振蕩器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制。反射行為是生物行為的一個(gè)基本要素，是生物對(duì)外界環(huán)境情況的反應(yīng)，是生物環(huán)境適應(yīng)能力的一種反映；引入生物的

4、反射行為提高了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，拓展了仿生控制方法的內(nèi)容。 4、根據(jù)哺乳動(dòng)物的行為進(jìn)化特點(diǎn)，進(jìn)行四足機(jī)器人的行為進(jìn)化研究。采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，利用CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，完成了基于CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Q學(xué)習(xí)算法，綜合考慮了四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，即可以越過一定高度的障礙來實(shí)現(xiàn)避障，進(jìn)行了四足機(jī)器人在未知環(huán)境中的自主導(dǎo)航行為進(jìn)化研究；運(yùn)用進(jìn)化算法，利用計(jì)算機(jī)模擬的方法，模擬一個(gè)剛出生的四足動(dòng)物學(xué)習(xí)行走的過程，通過這一技術(shù)

5、，可以使機(jī)器人自行獲得運(yùn)動(dòng)能力，這對(duì)于四足機(jī)器人的發(fā)展具有重要意義，將來可以將這一能力擴(kuò)展到其它方面，從而使四足機(jī)器人真正具有生物的學(xué)習(xí)能力，這有利于提高四足機(jī)器人在陌生環(huán)境中應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力，這一點(diǎn)對(duì)于執(zhí)行星球探測(cè)任務(wù)的四足機(jī)器人尤為重要。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)有：采用基于仿生學(xué)的運(yùn)動(dòng)控制原理，借鑒生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)的最新進(jìn)展，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有本體感覺的中樞模式振蕩器；引入神經(jīng)學(xué)中的動(dòng)態(tài)連接機(jī)理和生物學(xué)的反射概念，結(jié)