四足機器人仿生控制方法及行為進化研究.pdf

1、足式機器人是近年來機器人研究一個比較活躍的領域，其涉及機器人學、生物學、控制理論、傳感器技術、信息處理技術等，因其不同于傳統(tǒng)的輪式、履帶式機器人的運動特點，得到了各國科學家的大力關注，其中又以四足機器人以其結構和控制方法的相對簡單成為足式機器人的一個理想研究對象。四足機器人不但可以應用在軍事、行星探測、救災等領域，而且在家庭娛樂、仿生學等領域大顯身手。 在國家自然科學重點基金及中國科學院創(chuàng)新基金的資助下，本文對四足機器人的仿生控

2、制和行為進化進行了研究。研究內容包括： 1、對四足動物的運動器官結構和運動機理研究，在此基礎上對四足機器人的進行運動學和動力學建模，并成功研制出了四足機器人實驗樣機。 2、設計了一種具有本體感覺的中樞模式振蕩器；早期的基于仿生學的控制方法只是簡單的模仿生物的一些基本行為和功能，這在執(zhí)行一些相對固定、簡單的任務時沒有問題，但是對于復雜的任務和環(huán)境時就顯得有些力不從心了；隨著生物學和神經學研究的不斷發(fā)展，為四足機器人的仿生控

3、制帶來了新的概念和方法；本文采用基于仿生學的運動控制原理，從工程應用角度出發(fā)，設計了一種具有本體感覺的中樞模式振蕩器(CPG，CentralPatternGenerator)，并在其基礎上實現(xiàn)四足機器人的運動控制。 3、引入生物學中的反射概念和神經學中的動態(tài)連接機理，并與中樞模式振蕩器相結合，實現(xiàn)四足機器人復雜環(huán)境中的運動控制。反射行為是生物行為的一個基本要素，是生物對外界環(huán)境情況的反應，是生物環(huán)境適應能力的一種反映；引入生物的

4、反射行為提高了機器人的環(huán)境適應能力，拓展了仿生控制方法的內容。 4、根據哺乳動物的行為進化特點，進行四足機器人的行為進化研究。采用強化學習方法，利用CMAC神經網絡實現(xiàn)了強化學習系統(tǒng)，完成了基于CMAC神經網絡的Q學習算法，綜合考慮了四足機器人的運動特點，即可以越過一定高度的障礙來實現(xiàn)避障，進行了四足機器人在未知環(huán)境中的自主導航行為進化研究；運用進化算法，利用計算機模擬的方法，模擬一個剛出生的四足動物學習行走的過程，通過這一技術

5、，可以使機器人自行獲得運動能力，這對于四足機器人的發(fā)展具有重要意義，將來可以將這一能力擴展到其它方面，從而使四足機器人真正具有生物的學習能力，這有利于提高四足機器人在陌生環(huán)境中應對突發(fā)事件的能力，這一點對于執(zhí)行星球探測任務的四足機器人尤為重要。 本論文的創(chuàng)新點有：采用基于仿生學的運動控制原理，借鑒生物學、神經學的最新進展，從工程應用角度出發(fā)，設計了一種具有本體感覺的中樞模式振蕩器；引入神經學中的動態(tài)連接機理和生物學的反射概念，結