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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们的发展是基于弗吉尼亚理工大学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 机器人 三 动 实验型机器人）， 用 动的 动式运动； 机器人 的机器人 ）使用 在 的环境中；人形机器人 人 机器人）使用动 ；移动性 的机器人 的 移动用了一新型车轮和腿“ 运动的策略。于们 后它们的性 面的 进 。”动，移动机器人。 11 中 的后，在 地（911中 的 中 ）， 机器人计 室从机器人 和 中得到 ， 在为 的一 中 ，机器人的移动性是 为机器人技术的一个要 性 是 和 。 进一 ，用机器人在 地 使用轨道 动器一于车轮在不的地面，不过， 的运动策略必须 进一 调查。不同与空中或海运输的车辆在 们的旅 区域 几乎可达到 何一个的地，今天使用的大分地面车辆，在穿越大障碍和攀登陡坡时困难，这是由于 的移动性，尤 是在非结构化环境下。着机器人 技术的进 ，和移动机器人在新的应用领域增 ，机器人替换基础运动机械的需要，这可使它们在 调遣到复杂的非结构化地形中时变得至 要。地面车辆的运动的方法是基于车轮，铁轨或 条腿，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，一新的运动方法是必要的。例如，为了 够找到 困在 大楼中的人，需要身处狭窄拐角的机器人 够在瓦砾下或之间移动。的运动方法，可做到这项工 的一分，但在实现些功 时， 们却只的功。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。个皮肤运动）是 一个生物，一细长圆环形状的身体用来 为表面为牵引，皮肤是用来 动通过循环的收缩与扩张。构这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 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 ） 形式的细胞质流在 外质管中流动， 转化为凝胶状的外质端的表层皮肤，最后在细胞质的外皮肤后回复到液 的形式。这连续细胞 外质的转化是 变形虫向运动的 动 。如果不可 的，直接用机器人模仿这细胞质环流的过程是很困难的事。因 ，代替使用细胞质液体凝胶转型的过程，皮肤可拉长，然后在一个单一连续的运动中 意 外旋转，在变形虫外质管中 地生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弹性的机硅皮肤环形管，演示运动机构的可 性。2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图2. 同 固体管整个皮肤运动模型 通过 动环的收缩（1a，2a，3a ）扩大（1b，2b，3b ）产生的 转运动。（ a ） （ b ） （ c ）3. 拉 弹性皮肤模型运动的一 图4. 拉 的 动模型运动的一 机器人使用整个皮肤运动可在与机器人 接 的环境中的 何表面移动，不是地面， 或 的障碍物，或天 ，因为整个皮肤是用于运动。与一弹 膜或 状的接 为 外皮肤，机器人可很 在障碍之间或在 的天 下，使用接 面为牵引向 进，或 至 本身通过直 于 的 。 动式运动 动 的三 运动3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图5. 三 动 实验型机器人（自 三 动 实验型机器人）是一新型的三 机器（图） ， 用 动动 动的运动 ，动 与 和最 使用 独特的三 （图6 ）。不 的 动动 的机器，这独特的三 运动机器人，是三 “，它可变方向，和 使得它可实 4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图6显示单 三 的 。从开 的6 （ a ） ，机器人转变 ，通过调整它的 个 接（图6 （ b ） ，机器人的身体 在的方向直于 地三角（图6（ c ） ，轴旋转“ 为由 个的”腿。在机器人时，中间的腿（动腿） 自然动到 地腿之间（图6 （ d ）（图6 （ e ）。由于腿接 地面，机器人 通过 连接， ，为下的 （图6 （f ） 。三 的”是自然动运动的动腿，和机构于连接的 个 地腿。适的机械设计数（质 和性 方面的 ），用 动 结构展 动动动 运动 ，最 的 和 进 复运动。变方向是在一个 的方式下 ：通过变 动腿的 ，三 可在0 区间的方向移动机器人（图7 ）图7. 转变方向的 略简单的三 的三 很多 过 它腿式机器人：它一个简单的运动结构（ 动物 ， 动物 ，或 动物） ”腿之间，一条腿和身体的 ， “（如 机三 ）；简单的 （ 动物）因 运动是一个在 “方向的简单下 下 ；它 是 ，在动 学用 动动 运动 ;它 ，使它 发 到难进 的领域，例如，它使 和“ 感器在 的 变得非常理。5生物启发的运动策略:的三 在 环境下的 胶 灵感来自 天 进实验室的9 ） ，在弗吉尼亚理工大学的机器人技术和机械实验室 一 机器人的 运动和如图10 的机器人 ）6个4自由 的 体轴 器人本体与动点在 一个大的工 空间。可 换的端 器/ 用于方面例如 在非结构化环境，攀登，和灵的 。图9. 天 进实验室的多 的机器人 的 轴 ， 连接到机构，由一个三自由 动的了一个 的运动类似于 髋。中途沿是一单自由 的 它 了一 类似的运动类似于肘或膝。这使 的工 空间。整个机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人是大约16英寸，直 10英寸，身 与外表昆虫或蜘蛛一样。碳纤维复 体进 铝聚 物电池， 脑，可 换的 感器，包括立体 觉的接口 机。 由一个 级铝框和碳纤维复 材料外骼皮肤建造。过转口货品中最大芯直流电动机通过分 式可变方式 动。在端，可 换端 器/ 它用于实验和应用。图10. 的机器人 与 的机器人设计方法不同，它 求模仿生物学和工程 者 一，L 起缺乏一些必要的生物分子;生物分子专门用于 为一个设计工具。机器人的的是沿着表面结构移动，它的灵感来自于沿着底和岩石之间移动的多 灵的海洋生物。马可举的例子便是章鱼和海星， 中 们的显著特点是轴 ， 身体尺寸来说 长。轴 机器人是全方的，面一个特“方向的移动或省 昂贵运动。 外，长的 产生一个 阔的工 空间。中应用领域是在 情况下自地在太空中检查维修车辆和结构。使用 的机器人是最途的技术，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 检查和维修不过，使用 的机器人在 的环境中创造了一整套新的问题和要求。在 环境中运动需要使用确保 于表面的方法，这可 是通过抓住在表面 用磁铁，吸杯的某些功 来 。它的灵感来自 在直 爬和在天 下 的 ，未来版本的使用 胶 在 的环境下 于表面，因为这是最途的技术，使机器人 表面的运动和程变的“。型车轮腿“ 运动策略语言 是一非结构化环境无人 ，新型 流动性运动11 ） 。 用单独 动无框车轮辐条，它可按 轮廓不匀的表面，如路轨，越过大的障碍，如腿车辆，保留简单的车轮（图12 ）。因为它缺乏复杂的腿和一个大型 的（轮）直 ，这个 自适应性 可 地移动到端的地形，同时保一“的运 速 ，从而在 和 ，科学探 ，和进 的应用中很大的潜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。图11. 渲染图象是用了 个 动车轮， 进 模 移动和适应地形的一些例子我们分析了运动学和模 机器人用 个 动车轮在地形的运动，它们 用一个， 个，三个点 接 （图13 ）。这表明一个点接 模式 个自由 ，运动的输 可 意“。这模式 机器人移动，同时为质 中 保恒“的 ，我们已经通过模 进 了证明。至于这个模式的结果表明，通过变方角发生离散，采取措施变不同的长 和左右车轮。 个点的接 方式显示一个自由 ， 一个 长， 向面的中 轴轨道 为确“的车轮角 函数。这运动模式只用 个轮子便 静 地“ ，还可用于承受 载荷。 三点接 结构显示为 的自由 ，但是在固“的中，它额外的“性，让机器人 的立 之地。8生物启发的运动策略:车轮 自由 的不同模式的运动 图于瞬 转变的 后得到开发，在逐渐转变过程中三个接 点，迫使基 与机器人的轴斜交（图14 ）。 了 结构，通过在 机构中分析机器人获得 为一个空间分析获得的 形 一个 一的运动学模型可用来分析共面基 轴和斜交基 的 情况， 分析 个 动轮辐车轮 。的转向策略 要验证我们的模型分析和在下一 段项的 ，我们已设计 了 一个轮辐车轮 动的样机（图 ）用于生物启发的运动策略: 运动的仿人机器人 人机器人与情）是一仿人机器人 和表演，人类一样，它已发展一个为机器人运动的时 为弗吉尼亚理工大学的 进 2007 机器人杯 的基础16，17）。 600 ， 4 的机器人21个自由 （通过分 式 与可 的无芯直流电动机进 动。 用计 机 觉 ，在 的 性 ，和在 的多 感器， 越障碍时 人类一样的 ， 够越过不的复杂地形， 复杂为，如 。图和个项的续的 是发展机器人与 2007 机器人杯 的问题，（产生和实现一个动 ，使用 点 ，为了 运动规和障，基于 觉的 ，在不地形下散 ， 的复杂 为发展 法和策略）。10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图17. 人 机器人个 的铝骼结构与速型胶皮肤表面。它的和腿连接到机构由三自由 动点 了 的运动，与 和髋类似。是 与可变动。 机器人 个2100 电池 为 电， 脑处理，三“，感器包括一个 觉接口 机和 下感器。新版本的发展，在弗吉尼亚理工大学，2007 机器人杯在设计进 中，来自机械工程 和建 设计学的生和 级本科生 。们呈现了5个独特的地面移动机器人，在弗吉尼亚理工大学使用了新型运动策略 的移动性。 为证明，为发展这些机器人使用生物灵感和仿生学是”。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，为移动机器人在环境中具独特移动性的移动，我们已经功地应用和实施了新方式。 鸣谢者感 科学基 （海 室（” ”） 进实验室（ 天 学 学 项）弗吉尼亚理工大学 室和 室人的（感 们的和开发， 感工程（续这项工 ，通过弗吉尼亚理工大学 无人 实验（ 感 者的生道拉 马英拉马 瓦 特 和 这些项11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of By we (a it by a 1. n a 1 of on 9/11 at 机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人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 机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人1. of a as of ( 1) at at of 7, 8a is to do if of SL is by a of a of in a of 2)机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人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. ( is a 5) 9 1, to ( 6). is it to be 机器人和机构实验室开发的新型地面移动机器人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 07)17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. he a (or it is a it is to a a it is in it is to it is it at 8. a 18生物启发的运动策略:PLs 12, 13 (9), is a in 0, ( ( at a it to be as in 9. PLs 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. 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(
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