运动仿生的前沿:从感知到运动

正运动仿生是动物行为学和机器人学交叉的新领域,是仿生科学与工程的重要分支,其内涵包括揭示动物运动的机构结构、感知控制和行为规律,指导仿生机器人的设计.运动是动物的基本行为属性,也是仿生智能机器人等人造系统的重要特征之一.运动是动物对外部环境和内部状态变化的一种行为反应,该行为涉及到动物的环境感知、信息整合、运动指令产生、肌群驱动、关节运动、肢体与外界的相     

大壁虎在垂直面和水平面上小跑和行走的关节角度观测

大壁虎优异的爬壁和运动协调能力为仿壁虎机器人的研制提供了很好的仿生模型. 用三维运动观测系统测定了大壁虎在水平面小跑(337.1 mm·s^-1)和行走(66.7 mm·s^-1)以及垂直面上小跑(241.5 mm·s^-1)和行走(30.6 mm·s^-1)时前后肢的关节角度变化. 在水平面上, 当运动速度增大时, 关节转动角速度增大, 前肢摆动角前摆的幅度几乎保持在59°不变, 而后摆幅度由72°增大到79.2°. 在垂直面上, 壁虎运动时前肢提升角始终大于零以使质心贴近运动平面, 随速度的增加前肢摆动角前摆的幅度由33.7°增大到36.7°, 而后摆的幅度几乎在87.5°不变. 无论在水平面还是在垂直面上运动, 步态的变化对后肢摆动角的范围影响不大.     

动物机器人:研究基础、关键技术及发展预测

动物机器人利用动物固有的感知、运动、能量供应和神经系统,通过神经信息干预,实现对生物运动行为的控制.这类特殊的机器人在运动稳定性、灵活性、环境适应性和自身运动能量供应等方面保持了天然的优势,具有重要的应用价值;同时,该研究涉及动物运动神经网络及外部调控信息与固有运动神经信息的交互作用机制等重大理论问题,是神经科学和机器人交互领域的重要研究方向.该研究高度融合了动物智能和机器智能,涉及动物行为学、神经科学、微机电技术、力学和通信技术等,是多学科交叉融合的前沿领域.本文回顾动物运动神经系统与运动行为调控之间的关系,系统梳理不同动物机器人的运动调控方法及系统构成,总结活动在水、陆、空不同空间中典型动物运动行为调控的研究进展,归纳分析动物机器人研究在运动调控方法、微电极植入、微刺激系统、通信导航和能量供应等研究中面临的关键问题,并预测未来的发展趋势.     

壁虎的运动行为与动力学研究: 竖直面内运动方向的影响

壁虎在竖直面内不同方向运动时运动行为的观察和运动作用力的测定不仅能揭示出壁虎运动的力学规律, 也可以进一步获得仿生机器人控制设计的灵感. 用三维力传感器阵列测定大壁虎在竖直面内运动的三维作用力, 并结合高速摄像讨论在自下向上, 自上向下和自右向左3 个不同方向运动时大壁虎的运动行为及其脚掌的功能. 结果表明大壁虎的运动速度随步频的提高而增加, 但与脚掌的黏附时间与脱附时间无明显相关性. 大壁虎各脚掌产生相应的作用力以平衡重力和翻转矩, 并为运动提供必要的推力; 位于身体质心上方的脚掌在支撑身体、运动驱动、运动平稳等方面都起到关键作用; 竖直面内大壁虎在不同方向运动时运动行为和脚掌功能所发生的相应改变, 使得大壁虎能够在竖直面上安全高效的自由运动. 这一研究对仿壁虎机器人的结构设计、步态规划和控制的选择有所启发和帮助.     

人的直立姿势的调节

由于人体是由为数众多的活动关节所组成,其重量中心高于支点,而支承外形的面积却很小,所以保持人的自然直立姿势是一项极为重要的课题;解决这课题,需要牵动一系列的反射链。在苏联科学院信息传递问题研究所B.C.古尔芬克里(B.C.)和日本旭川医学院C.莫利(C.)联合写的著作中,介绍了他们对上述课题所作的实验:在人所站立的支承平台上作节奏性的不同频率的前后倾斜,把膝肌在此条件下产生的电活性、胫关节中的角度变化以及人体各点的运动状况都记录下来。可以确定,胫关节中的角度变化在相位上同平台的运动相吻合。在平台的运动同人体及头部的摆动之间有一个相位移动,该移动取决于扰乱作用的     

非连续约束变结构机器人运动机构的仿生: 概念及模型

机器人的运动能力、效率和可靠性是衡量机器人品质的重要指标, 要进一步提高机器人的品质, 还有若干关键科学问题尚没有得到澄清和解决. 我们从仿生壁虎机器人运动协调的困惑中发现, 这类机器人的腿式运动机构为开环-闭环转变, 闭环状态下与接触体形成拟态构件长度也有变化的变结构机构, 开环到闭环转变中自由度和约束也呈现非连续变化. 提出了非连续约束的变结构运动机构的概念, 建立了非连续约束的表述方程, 这类机构的驱动和控制设计是机器人运动系统进一步提高性能和效率的关键之一. 借鉴生物脊椎-外周运动神经系统对运动的控制策略, 提出这类机构的运动控制和驱动策略, 并指出腿式机器人未来发展必须解决的若干关键问题.     

大鼠在侧向冲击下的平衡调节行为

在外界的干扰下,动物可以实时地调整运动模式,来平衡外界的扰动以保持运动的平稳性.本文以短腿直立动物大鼠(Rattus norregicus)为研究对象,用单摆分别冲击大鼠的胸外侧和腹外侧,由高速摄像机和三维运动反力测试系统同步记录大鼠受到冲击时的运动行为和受到的地面反力.研究大鼠受到侧向冲击的平衡调节策略.大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性.胸外侧受到冲击时,大鼠主要依靠类弹簧的身体迅速弯曲吸收能量.腹外侧受到冲击时,大鼠通过身体的侧摆和腿的外支撑,刚性地平衡侧向冲击力和力矩.通过身体的侧摆实现应急缓冲比身体弯曲的应急缓冲时间短,但是调整恢复到正常运动状态需要更多时间.研究动物在外界干扰下的身体平衡调节策略,可以为仿生机器人的鲁棒性设计提供参考.     

仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

<正>仿人机器人是具有类人的外貌特征和运动功能的一种先进智能体,是未来家用化机器人的主流发展方向,其研究的重点之一就是如何模仿人类行为的同时提高系统运动的稳定性.最近的一项研究从机器人系统的角度出发,研究上、下肢的运动协调问题,上身运动对整个身体运动模式的影响,以及如何设计上身的运动使得既能模仿人类的行为又能提高系统的运动稳定性.     

大壁虎脚趾运动和感觉的分区分级调控

近年来, 爬壁机器人是机器人领域研究和开发的一个热点课题. 大壁虎是研究爬墙机器人的理想模型. 在仿壁虎机器人的研制过程中, 脚掌(趾)的设计是关键技术之一. 采用高速摄像和电生理学方法, 观测了大壁虎前、后脚在不同界面爬行时不同的运动模式; 研究了5个脚趾的黏-脱附运动及其感觉信息传入的神经支配; 发现了5个脚趾运动和感觉功能的不同分区, 黏附和脱附行为及其感受传入的分级调控现象. 这些结果为当前仿壁虎机器人, 以及其他4足和多足机器人脚掌(趾)的结构和运动控制系统的设计提供重要的信息和理念.     

非连续约束变结构杆机构机器人: 运动与控制的若干仿生基础问题

在非连续约束变结构机器人运动机构的仿生概念及模型研究基础上, 系统分析这类机器人的机构学、冗余驱动下的运动协调、非连续接触引发的动力学、机器人脚及地面反力、爬壁杆机构机器人黏附性脚掌的设计及相关微制造和相关步态规划与控制策略的研究现状和存在的主要问题, 提出未来发展的建议.     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

大壁虎在天花板表面的运动行为与动力学研究

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义．用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力, 结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力, 并比较分析了前后腿的作用. 结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17~0.48 m/s, 前后腿向身体中线方向收拢. 脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力, 以确保运动的安全, 前腿的法向预压力大于后腿. 前后腿的侧向作用力大小相当. 前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同, 起主要推动作用; 后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反. 前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%. 运动中, 运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力, 前腿主要起到推动作用, 后腿则主要起稳定作用. 上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化, 使得壁虎能够在极端条件下自由运动, 并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.     

空间机器人的研究与仿壁虎机器人关键技术

简要回顾了国内外空间机器人的应用需求、结构性能和未来发展,提出空间机器人面临的科学问题和关键技术.空间机器人可分为机械臂系统、带陪护功能的机器人和检测服务机器人,特别关注基于范德华力机制,有望实现微重力下在空间站表面实现仿生壁虎机器人及干黏附的进展和关键技术.机械臂系统应特别关注满足高刚度结构轻量化需求的新材料、新设计和新制造技术、机械臂-作业对象-空间站多体系统动力学、真空-微重力-高低温-宇宙辐射特殊环境下机械臂运动系统的润滑技术等问题.带陪护功能的机器人需要研究在密闭、狭小、失重环境下,航天员生理、心理和行为的变化规律及其机器人构型、陪护效果和辅助作业的要求和解决方案,研究陪护需要的高级人工智能技术,从语音识别、表情识别到自然语义理解等交叉学科的问题.检测维护机器人的关键是发展高低温、空间辐射、真空及微重力下实现固体间的稳定接触技术、干黏附微纳米有序刚毛阵列的制造技术和基于干黏附的机器人设计和运动规划技术.     

仿蜥蜴机器人单腿运动水动力特性仿真及实验

仿蜥蜴机器人是模拟蛇怪蜥蜴运动方式实现水面行走的机器人,其脚掌的运动特性决定了机器人能否实现水面行走.本文通过构建机器人单腿驱动机构及脚掌模型,运用ADAMS软件分析了机器人单腿驱动机构在不同速度时脚掌处入水特性;利用计算流体动力学分析软件FLUENT中动网格技术,仿真分析脚掌拍水、扑水和恢复运动过程,分析机器人单腿驱动速度与空气腔形成的关系,结果表明转速不低于270 r/min时,脚掌能够形成空气腔;最后在实验室环境下进行机器人水面行走实验,实验结果与理论分析结果相符.     

仿蝗虫脚掌的机器人脚结构设计及其优化

基于蝗虫脚掌有利于稳定附着的主要几何形态和材料特性,设计了一种新型具花瓣型结构的机器人仿生脚掌结构,并利用非线性有限元方法对其进行了接触力学和抓地性能分析.同时,利用快速成型法制备了机器人仿生脚掌试样,对其进行摩擦性能实验,以验证有限元分析结果的可靠性,并在此基础上进一步对脚掌结构进行优化设计.研究结果表明,仿蝗虫脚的机器人脚掌结构具有优良的地面抓附能力.在保证机器人脚一定承载能力的条件下,花瓣数目越少,机器人脚掌的抓地性能越好.     

仿壁虎机器人脚掌的黏附性能研究及模拟微重力下黏脱附轨迹设计

失重环境下固体间的稳定接触是空间站舱内外航天员作业、在轨维修、空间碎片捕获等任务面临的共性问题,基于范德华力机制的刚毛黏附材料为解决上述问题提供了可能.本文介绍使用仿生高分子黏附结构研制仿壁虎机器人脚掌所面临的问题.用仿壁虎腿机构构成的黏附性能试验台,研究了黏附脚掌的刚度、尺寸和黏附轨迹与黏附力、实际接触面积间的关系,确定了脚掌黏附过程的稳定边界.用重力补偿法模拟整体失重环境,设计了脚掌黏脱附轨迹并实现了仿壁虎机器人在整体失重情况下的稳定黏附运动,为在轨微重力环境下仿壁虎机器人的黏附运动提供了基础数据.     

飞秒激光仿生复眼制造进展

复眼系统是自然界中普遍存在的一种视觉成像系统,与单眼相比,它具有体积小、视场角大、景深大以及对快速运动物体灵敏度高等优点.人工仿生的复眼结构在机器人视觉、三维成像、目标跟踪、导航、监测、医学等领域具有极其重要的应用价值.与传统复眼透镜制备技术相比,飞秒激光微纳加工技术在三维制备、高精度加工、可程序化设计等方面具有突出的优势,使得飞秒激光技术成为重要的仿生复眼制备方式.本文总结了飞秒激光加工仿生复眼透镜的最新研究进展,对激光增材和减材两种制备方式分别进行了阐述和分析,对仿生复眼透镜的应用进行了简单的介绍,最后探讨了飞秒激光制备复眼透镜领域存在的一些挑战,并对该领域的未来发展方向进行了展望.     

细菌种群迁移的时空动力学

集群迁移是生物应对环境变化展现出的高度有序的集群行为.细菌的种群迁移涉及细胞个体的运动、细胞异质性、空间自组织机制等问题,是定量生物学研究领域重点的研究方向.近年来,研究人员利用数理模型、计算模拟的研究方法结合定量生物学实验研究细菌种群迁移的时空动力学过程,重点关注了集群协调个体行为的空间自组织策略、集群的代谢和生长周期性振荡、集群迁移速度和空间定植的定量关系等问题.本文对细菌种群迁移的研究进展进行概述,介绍细菌个体水平的随机运动和趋化运动,细菌种群趋化迁移和群集运动的模式,探讨细菌种群迁移的时空动力学的研究工作和定量合成生物学在细菌种群迁移研究的应用,并对该领域未来的研究方向和技术手段进行展望.     

昆虫机器混合系统:从自由状态控制到自主智能调控

以昆虫作为载体,采用光/电等外部调控手段对其运动行为进行干预或控制,实现可静态预设或动态控制的昆虫机器混合系统,也被称作昆虫机器人.这类微型动物机器人在运动稳定性、环境适应性、隐蔽性等方面拥有天然的优势,在搜救侦查、科学研究等众多领域具有重要的应用价值.随着神经科学、微机电系统、人工智能等研究领域的快速发展,昆虫机器混合系统研究正从自由状态控制发展至自主智能调控阶段.本文回顾了昆虫机器人在受控运动模式、可控动作类型、达成控制任务等方面的研究现状,总结了昆虫机器混合系统研究框架,评述了基于不同调控原理实现的典型昆虫机器混合系统研究进展.在此基础上,分析了昆虫机器混合系统在神经调控机制、微型控制系统、刺激技术及方法、智能控制系统等研究中面临的困难、存在的问题,预测了未来的发展趋势.     

南海东北部海域海面高度的时空变化特征

对1993年1月至2001年12月TOPEX/POSEIDON卫星高度计海面高度距平的分析表明, 在吕宋海峡两侧各有一个海面高度波动高能区, 其中心分别在(19.5°N, 119.5°E)和(22.0°N, 124.0°E), 其间有一低能带将二者隔离. “远区”EOF分析亦显示二者的波动规律相对独立. 对“近区”的EOF分析揭示南海东北部海域海面高度波动以季节变化为主, 伴有明显的季节内变化和年际变化. 其中EOF 1和EOF 2占总波动能量的66.7%, 均主要表现为季节变化, 但相位相差约3个月. EOF 1的主要形态是以吕宋岛西北(18.0°N, 119.0°E)为中心的海面高度振荡, 其峰值出现于8~9月间, 谷值则出现于1~2月间, 主要反映了南海深水海盆比容高度的季节变化和相应的环流调整. EOF 2的形态则表现为东南至西北向的季节性交替起伏, 主要反映了南海北部近海季风导致的海面高度Ekmen调整. 分析还表明, 季节内变化是南海东北海域海面高度波动的重要分量, 它主要反映了吕宋海峡西侧海域中尺度过程的频繁活动. 此外, 所有主要EOF模态都呈现年际变化.