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1、控制機(jī)理仿生,目錄,,,廣東省CIMS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,一.控制機(jī)理仿生的研究簡介,,1、仿生機(jī)器人的研究熱點(diǎn)：,通過研究生物肌體構(gòu)造，建造類似生物體或其中一部分的機(jī)械裝置，通過結(jié)構(gòu)相似實(shí)現(xiàn)功能相近。,研究與模擬神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程,機(jī)器人的視覺、聽覺、嗅覺、接近覺、觸覺、力覺等多種感覺在內(nèi)的強(qiáng)大的感知能力。,生物的能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)100%，肌肉把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的效率也接近50%。,許多仿生材料具有無機(jī)材料所不可比擬的特性，如良好的生物相容性和力學(xué)相容性。,一.控制機(jī)理仿生的研究簡介,,2、控制機(jī)理仿生,自然界中 ,動物運(yùn)動的穩(wěn)定性和適應(yīng)性是任

2、何機(jī)器人無法比擬的 ,這得益于它的運(yùn)動控制機(jī)理 。動物經(jīng)過漫長進(jìn)化形成的控制機(jī)理是十分合理和精巧的 ,因此借鑒動物的運(yùn)動控制機(jī)理是提高機(jī)器人運(yùn)動能力的一條新思路 。,控制機(jī)理仿生思想：,,一.控制機(jī)理仿生的研究現(xiàn)狀,,2、控制機(jī)理仿生,基于模型的運(yùn)動控制方法是應(yīng)用十分廣泛的經(jīng)典方法,采用建模一規(guī)劃一控 制的思路。即首先對機(jī)器人本體及環(huán)境進(jìn)行精確建模,然后通過人工規(guī)劃得到機(jī)器人的最佳運(yùn)動軌跡,再利用反饋機(jī)制控制機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動與理想軌跡之間的偏差,使機(jī)器人的運(yùn)動盡可能趨近理想軌跡。這種前饋加反饋的控制模式,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜、精確的運(yùn)動。,常規(guī)機(jī)器人控制方法：,缺點(diǎn)：對于要求多自由度運(yùn)動控制的機(jī)器人，人

3、工規(guī)劃很難滿足協(xié)同控制的實(shí)時(shí)性要求。,二、控制機(jī)理仿生分類,1、從低級到高級的生物分類：,本能式行為控制，是指生命生來就有的由大腦皮層以下的神經(jīng)中樞參與即可完成的一種比較低級的神經(jīng)活動。 反射式行為控制，是指生物出生以后在非條件反射的基礎(chǔ)上，在大腦皮層的參與下經(jīng)過一定的過程積累對直接的物理信號所形成的一種高級神經(jīng)活動 慎思式行為控制，是指具體語言中樞的高級生命體對由具體信號抽象而來的語言、文字所產(chǎn)生的反應(yīng)，這種反應(yīng)多發(fā)生在具體社會屬性的高級生命體和智能體之間 社會式行為控制方式，指具體語言中樞的高級生命體對抽象的語言、文字信號所產(chǎn)生的反應(yīng)。,二、控制機(jī)理仿生分類,2、控制機(jī)理仿生總概述,,高級

4、神經(jīng)系統(tǒng)仿生,低級神經(jīng)系統(tǒng)仿生,基于群的仿生控制,基于遺傳算法的仿生控制,,行為主義控制理論,中心模式發(fā)生器,,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模糊控制,控制仿生,二、控制機(jī)理仿生分類,3、高級神經(jīng)系統(tǒng)仿生,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network）: 模擬了大腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，是一種由大量簡單的處理單元( 神經(jīng)元) 廣泛連接組成的信息處理系統(tǒng)， 在復(fù)雜環(huán)境中具有高度的適應(yīng)性和魯棒性。雖然每個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能十分簡單，但由大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以完成極其復(fù)雜的功能。,二、控制機(jī)理仿生分類,3、高級神經(jīng)系統(tǒng)仿生,模糊控制： 模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)的模糊識別、推斷功能，以模糊集合理論為

5、基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)語詞計(jì)算和不精確性、不確定性和模糊信息的處理，從而解決復(fù)系統(tǒng)的建模和控制問題。,馬培蓀等將人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法結(jié)合起來，采用力 /位置混合控制 ,實(shí)現(xiàn)四足步行機(jī)“JTUW M-III”的慢速動態(tài)行走。,二、控制機(jī)理仿生分類,4、低級神經(jīng)系統(tǒng)仿生,行為控制理論： 許多生物沒有存貯、規(guī)劃、控制全身各部分運(yùn)動的中心控制系統(tǒng)，是根據(jù)身體各部分的不同反應(yīng)，將一些局部看來漫無目標(biāo)的動作合成為有意義的生物行為，它的運(yùn)動簡單，卻很靈活。機(jī)器人的運(yùn)動由一系列同時(shí)發(fā)生的簡單動作或“能力”組成，通過自組織實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜行為，這種“無思考智能”具有即時(shí)性和自組織的特點(diǎn)，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有良好的適應(yīng)性

6、。,基于行為控制方法的應(yīng)用實(shí)例有 Brooks 的“Genghis”六足機(jī)器人“Hannibal”六足機(jī)器人、“阿蒂拉-I”機(jī)器人、瑞士洛桑大學(xué)的“克伯拉”機(jī)器人以及美國 Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室的“Vbug”系列機(jī)器人等。,二、控制機(jī)理仿生分類,4、低級神經(jīng)系統(tǒng)仿生,中心模式發(fā)生器： 動物界最常見的運(yùn)動方式是節(jié)律運(yùn)動，如走、跑、跳、泳、飛等。生物學(xué)家普遍認(rèn)為，節(jié)律運(yùn)動并不是大腦的刻意行為，而是低級神經(jīng)中樞的反射行為，由位于脊髓中的中心模式發(fā)生器( CPG)產(chǎn)生。CPG是一個(gè)神經(jīng)振蕩電路，能夠通過自激振蕩激發(fā)身體的節(jié)律運(yùn)動。工程界一般將CPG建模為一組互相耦合的非線性振蕩器組成的分布系

7、統(tǒng)，通過相位耦合實(shí)現(xiàn)節(jié)律信號的發(fā)生。,二、控制機(jī)理仿生分類,5、基于群的仿生控制,基于群的仿生控制： 如機(jī)器人生產(chǎn)線、柔性加工工廠、消防、無人作戰(zhàn)機(jī)群等。一些作業(yè)單個(gè)機(jī)器人往往難以完成、需要多個(gè)機(jī)器人協(xié)作。多機(jī)器人系統(tǒng)是模仿螞蟻、蜜蜂以及人的社會行為而衍生的一種仿生系統(tǒng) 。通過個(gè)體之間的合作完成某種社會性行為 。群體仿生的目的在于：通過群體行為增強(qiáng)個(gè)體智能，提高系統(tǒng)整體工作效率，減少局部故障對整體的影響。,二、控制機(jī)理仿生分類,6、基于遺傳算法的仿生控制,基于遺傳算法的仿生控制： 遺傳算法是模擬生物界“優(yōu)勝劣汰，適者生存”這一進(jìn)化法則而產(chǎn)生的一種控制算法 ，特別適用于非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的全局優(yōu)化

8、 。機(jī)器人是難以精確建模的復(fù)雜系統(tǒng) 。可以利用遺傳算法來控制機(jī)器人的復(fù)雜行為，如軌跡優(yōu)化，冗余機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)方程求解，細(xì)胞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)位形優(yōu)化和運(yùn)動規(guī)則確定等。,臺灣大同大學(xué)機(jī)械工程研究所在研究提高自走車巡線能力時(shí)采用了遺傳算法來巡線能力,三、控制機(jī)理仿生的關(guān)鍵技術(shù),研究了解生物的控制方式 提煉出可以運(yùn)用在機(jī)器人的控制方法 如何設(shè)計(jì)核心控制模塊與網(wǎng)絡(luò),四、聰明的控制：魚群與黏菌,1、源自魚群的防撞汽車,日產(chǎn)汽車模仿魚群的動作，開發(fā)了能夠避免撞擊周圍的機(jī)器人和障礙物的機(jī)器人車“EPORO”。,四、聰明的控制：魚群與黏菌,1、源自魚群的防撞汽車,魚類會根據(jù)與最近的伙伴和障礙物的距離，用三種規(guī)則改

9、變動作： 在距離伙伴太遠(yuǎn)時(shí)拉進(jìn)距離的“接近”-區(qū)域3 與伙伴保持適當(dāng)距離并配合其速度和前進(jìn)方向的“并行”-區(qū)域2 防止與伙伴相撞的“沖撞回避”-區(qū)域1,研究表明，魚類是利用能夠敏感察覺近處物體的側(cè)線感覺、能夠望遠(yuǎn)的視覺兩種感覺器官來完成上述控制的。,四、聰明的控制：魚群與黏菌,1、源自魚群的防撞汽車,為此，日產(chǎn)汽車使用紅外激光的測距傳感器替代側(cè)線感覺，使用UWB（ultrawide band）通信模塊替代了視覺。EPORO利用UWB通信模塊與周圍的機(jī)器人進(jìn)行通信，根據(jù)通信耗費(fèi)的時(shí)間推測距離。,四、聰明的控制：魚群與黏菌,1、源自魚群的防撞汽車,日產(chǎn)汽車的機(jī)器人車“EPORO”能夠根據(jù)情況改變集

10、體行駛的狀態(tài)。舉例來說，在寬敞的道路上，EPORO保持安全間隔，分散行駛，而在狹窄的道路上，EPORO則排成1列行駛。前方出現(xiàn)障礙物的時(shí)候，還會改變行駛的隊(duì)形，避開障礙物。,四、聰明的控制：魚群與黏菌,2、模擬真黏菌的機(jī)器人,大多采取的是依靠高性能中央運(yùn)算裝置來控制。,傳統(tǒng)的機(jī)器人：,,自然界連腦都沒有的原始生物，也能相應(yīng)于無法預(yù)測的環(huán)境變化而移動。,,,即使沒有高性能的中央運(yùn)算裝置，也可能實(shí)現(xiàn)像生物那樣靈活的動作,,,生物體的動作是以自主分散的控制方法進(jìn)行的，體內(nèi)分散配置的各個(gè)單元都會自主地協(xié)調(diào)動作。,四、聰明的控制：魚群與黏菌,2、模擬真黏菌的機(jī)器人,東北大學(xué)電氣通信研究所教授石黑章夫把目

11、光對準(zhǔn)了結(jié)構(gòu)和動作單一的黏菌。這是“變形菌”的一種，沒有腦和神經(jīng)。即便如此，這種菌依然會像動物一樣到處尋找食物。,四、聰明的控制：魚群與黏菌,2、模擬真黏菌的機(jī)器人,黏菌由溶膠狀的“內(nèi)質(zhì)”與凝膠狀的“外質(zhì)”組成。在移動時(shí)，真黏菌是通過外質(zhì)各個(gè)部分的收縮、舒張，使內(nèi)質(zhì)發(fā)生流動，從而帶動身體運(yùn)動。,石黑為了探索真黏菌的自主分布式控制方法，試制出了模仿真黏菌的機(jī)器人。用裝滿水的氣球代替內(nèi)質(zhì)部分。外質(zhì)采用的則是用彈簧連接多個(gè)機(jī)械單元（摩擦控制單元）組成的環(huán)狀體。,五、總結(jié),2、高級神經(jīng)系統(tǒng)仿生,適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境 必須具有強(qiáng)大的導(dǎo)航、定位、控制等能力 實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的無隙配合 必須具備良好的群體協(xié)調(diào)控制能力 解決復(fù)雜的任務(wù)，完成自身的協(xié)調(diào)、完善以及進(jìn)化 具有精確的、開發(fā) 的系統(tǒng)控制能力。,,,,仿生機(jī)器人研發(fā)過程中的首要難題： 如何設(shè)計(jì)核心控制模塊和網(wǎng)絡(luò)已完成自適應(yīng)、群控制、類進(jìn)化等一系列問題。,,謝謝!,