专业技术人员继续教育培训学习心得

仿生原理与仿生机械概论

学习心得

通过学习吴伟国老师主讲的《仿生原理与仿生机械概论》，对探讨工业仿生机器人应用于工业生产、科研实验等实际操作任务前应具备的基础理论和技术，如工业仿生机器人运动学、动力学、工业机器人样机或本体产品的物理参数识别、末端操作器操作轨迹规划、各种控制方法与技术等内容进一步掌握。学习涉及到机械原理、机械设计、理论力学、自动控制理论基础、线性代数、机电一体化等机械工程类大学本科所学的专业基础课程的知识，使自己对仿生机器人控制的实际应用有了更全面、更深入的认识和理解，尤其对机器人控制在原理、结构级成及控制策略上加深了理解，理论上得到了提高，下面就具体谈谈学习上的一些体会：

一、仿生机械与仿生机器人技术进展

1. 仿生机械与仿生机器人主要的基础问题

仿生学[ bionics, biomimetics ] ——以在自然界中生存的、经过数十亿万年长期进化的生物为研究对象，研究生物系统机能、结构、能量、信息机制等问题，并利用研究中获得的知识去解决工程问题的分支科学。研究模仿生命系统功能的系统的科学。

机器人[android， automaton， robot] ——ISO定义：是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。——工业机器人！

机器人——（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机器或机械装置。

仿生机械研究的特点与难点

复杂灵活的运动机能、天然合理的体能与形体设计、控制灵活/柔软、环境适应性、快速反应能力、损伤再生能力、复杂的群体社会行为这些都是目前仿生机器人研究中所要面对的难点。

仿生机械与生物对比存在的问题

(1) 驱动机构

首先是驱动器的重量/性能比同生物的筋肉相比小。鸟类和哺乳类生物平均单位筋肉的有效功率约为200W/kg;单台小型大扭矩型DC电机约为550W/kg。但实际上，为适应于关节驱动的角速度，加上减速齿轮、谐波减速器驱动，就变为110W/kg左右，远不及动物的筋肉程度。再加上电源系统来比较差别就更大了。昆虫跳跃时瞬时功率，狍子竞达2800W/kg。它不单纯是筋肉瞬间收缩，还依赖于事前蓄积的弹性能的急剧释放。在高温高压下进行燃烧的引擎的重量/功率比可以达到同肌肉相当的程度。但是从小型化和控制方面来看不适于机器人。使用电机作驱动源很难达到与动物同等运动性能的目标。因此，M.H. Raibert 在研究模仿动物动态运动时他的单腿跳跃机器人采用液压驱动解决了问题。

(2) 能量

目标轨迹追踪控制或者力矩(转矩)控制——是目前多被用于机器人的控制手法。可是，伴随着轨迹准确追踪能被实现的另一方面，电机消耗能量成为大问题。高密度的电池开发正在进行，但是能够保证正常工作时间的很少。生物的运

动巧妙地利用重力和共振，从而减少其能量消耗。它不单单是驱动各关节，有时是非驱动的，利用重力等外力几乎使之自由运动，通过共振作用来增加振幅。有人将这些原理的机构及控制手法应用于机器人，研究并实现高效率运动控制。例如，就双足步行动作，McGeer 制作了没有驱动器的步行机，实现了一边下坡一边步行动作。此外，这种被动步行(Passive Walking)、在关节施加一定的力矩时的步幅的变化、以及周期性的Chaos变化等也被研究了。

(3) 机构

动物的筋肉收缩时作为驱动系统工作，伸展时仅作为弹性要素被动工作。因此，不总是主动控制/驱动关节，有时利用重力等自由运动来减少能量损耗。●具有与动物的筋肉产生相同的驱动力矩、而且非驱动时完全自由动作等特性的驱动器重量将变得很重——离合器。此外，动态运动与被形态和重力支配的机构固有振动模型有相当大的关系。因此，关于动物有利于其运动的机构(长度、质量分布)的报告出现了。其中指出，有关人与猴子在躯体与脚长比、质量分布等数据表明：人易于双足步行，而猴子更易于攀援树枝。对于机器人也同样，也需要实现目标动作的合理质量分布。因此，用较少的能量，既可准确控制又能劣驱动关节控制的机器人是可能的。但是，驱动器的质量、及其搭载性问题等。

(4) 柔软性

生物的关节以及骨骼在生物与物体发生撞击时，能起到减缓冲击力，吸收能量的作用。用金属做成机器人的情况下，要想使其自身来具有这样的缓冲特性是很难的，虽然可以通过阻抗控制让各驱动关节具有任意的动态特性的方法来解决，但从采样实时等方面来看，对于造成冲击的外力很难得到充分的响应特性。此外，与采用柔软材料可以减缓冲击力的优点相反，因为柔软材料的形变，自身位置控制又变得十分困难。

(5) 控制

控制对象通常为多杆件系统，不只非线性强，而且在与环境接触的情况下，系统杆件结构也发生变化。例如，体操比赛和跳高比赛，运动员跳向空中时刻，来自环境的约束没有了，系统的结构发生变化了。还有，运动员在空中进行姿势控制时，结构上为劣驱动系统。在这样的动态系统中，系统具有的特性发生了很大的变化，因此其控制方法也需要相应地改变。诸如跳跃的体育机器人仿生机器人运动学习控制的必要性完全靠基于模型的控制方法是很难达到面向复杂应用环境的仿生机器人的柔软、灵活的控制目的。

(1) 多输入多输出(Multi-I/O)问题

(2) 内部模型的构筑(非线性、杆件结构的变化)

(3) 劣驱动系统（被动驱动系统）

(4) 较大的搜索次数

(5) 环境部分观测的马尔可夫决定过程

(6) 稳定性，Robust 的评价方法

(7) 复杂行为的实现方法

二、仿生学研究中生物运动形态与力学原理

仿生学的力学原理——腿式行走生物的稳定性与力学

1. 双足步行的机构、力学、稳定性与控制

2. 四足步行步态、稳定性与動力学

3. 六足昆虫的自律步行原理与控制

4. 単腿跳跃式行走的力学原理