欠驱动机器人学习、规划和控制Ecient和敏捷机器.doc

欠驱动机器人:对高效与敏捷机器的学****规划和控制(麻省理工学院)1驱动与欠驱动系统今天的机器人移动过于保守,只能完成一小部分任务,只具有实现一小部分机械性能的能力。在很多情况下,我们仍然从根本上受限于控制技术,这项技术使刚性机械臂在结构化的工厂环境更加成熟。欠驱动机器人的研究专注于构建使用自然动力机器的控制系统,这可以实现非凡的性能。。,本田汽车宣布他们已经研究步行机器人技术近15年(秘密地)。他们的设计持续发展在过去的12年里,设计出了一款人形机器人,他们称它ASIMO(在创新流动上先进了一步)。本田的ASIMO被广泛地认为是步行机器人的艺术状态,虽然现在有许多机器人与ASIMO的设计和性能非常相似。现在我只是想让你熟悉ASIMO动作的外观和感觉。我希望你的第一反应是ASIMO多功能性的运动是令人难以置信的和深刻的。现在仔细看一下。虽然ASIMO的步态运动很平滑,但还是有一点不自然。感觉有点像宇航员穿着一个笨重的宇航服。事实上,这是一个合理的类比。ASIMO走路就像一个不熟悉动力学的人。它的控制系统使用高增益反馈,因此有相当大的关节转矩,取消了自然动力机器严所需格遵循的轨迹。这种控制方法有严厉处罚。ASIMO使用约为人类在平坦路面上(运输成本来衡量)行走的20倍的能量(扩展),同时,控制稳定在一个相对较小的状态空间(当立场脚地面是平的),所以ASIMO不能快速移动,不能走在未建模或不平的地形。为了对比,让我们现在考虑一个非常不同的类型的步行机器人,称为被动动态沃克。这种“机器人”没有汽车、没有控制器,没有电脑,但仍然是能走一个小斜坡并稳定下来,只靠重力驱动。大多数人会同意,这机器的被动步态自然比ASIMO的更有效率。2章1完全驱动和欠驱动系统被动行走机器有很长的历史——有专利的被动行走玩具可以追溯到1800年代中期。我们将在细节上讨论,人们知道这些机器的动力是什么并且完成了这些实验。这个最令人印象深刻的被动动态沃克是由史蒂夫·柯林斯在康奈尔大学的实验室设计出来的。被动步行者证明ASIMO中应用的高增益反馈的方法不是必要的。事实上,行走的动力学是美丽的,应该利用,而不是取消。。现代飞机在空气中可以非常有效地稳定飞行。螺旋桨产生的推力非常有效,今天弧形的翼型有着高度优化的速度和(或)效率。很容易说服自己,我们从鸟类的学****方面没有任何遗漏。但是,就像ASIMO,这些机器大多局限于低攻飞行政权在机翼上的空气动力学,这是非常保守并且众所周知的事情。鸟类经常执行这飞行包线以外的动作(例如,当它们在树枝上着陆时),这比我们最好的飞机更有效地利用能源(例如,风能)。因此,鸟类是非常高效的飞行机器,其中一些可以迁移数千公里,而仅仅需要非常小的燃料供应。流浪的信天翁可以飞几个小时,甚至几天,没有拍打它的翅膀——这些鸟类利用剪切层形成的风在海洋表面的飞行技术称为动态飙升。值得注意的是,这些鸟类的飞行成本是不可区分的基础代谢成本,这意味着他们可以几乎完全使用渐变的风来完成令人难以置信的飞行距离(逆风或旅行顺风)。其他鸟类实现效率也是通过与空气同样丰富的交互——包括编队飞行、热飙升,脊飙升等。大型昆虫、小鸟、蝴蝶和蝗虫,可以使用“阵风飙升”迁移数百甚至数千公里。鸟类也非常容易操作。高度杂技飞机的滚转角速度(空中之鹰)大约是720度/秒;家燕有滚转率超过5000度/秒。在一个方向上蝙蝠可以在完全反方向的同时保持全速飞行的前进速度,仅仅在距离不到一半的翼展挥动翅膀。虽然定量可视化数据流,从机动飞行是稀缺的,是占主导地位的理论。大部队机动性可以归因于非定常空气动力学,如。动物创建一个大型吸入涡迅速改变方向。这些惊人的功能要求经常运用喇叭铲等动作高速飞过森林和洞穴。即使在高速度和高利率,这些动物有令人难以置信的灵活性——蝙蝠有时捕获猎物翅膀,游隼可以拉25克重量并以240英里每小时的速度潜水捉麻雀。甚至可以看到小鸟通过围栏,潜水并咬碎食物。尽管有许多对鸟类的飞行记录令人印象深刻的统计数据,我们的部分实验可访问性限制——在它们做出最令人印象深刻的动作并不去打扰他们的假设下去仔细衡量鸟类(和周围的气流)是很困难的这,就像动力学研究游泳的鱼。海豚已经知道优雅的游泳波与船只移动,小的鱼,如蓝鳃太阳鱼,具有一种逃避反应,从身体不到一个身长全速推进自己;流动可视化的确证实,这是通过创建一个沿着身体的一侧的大型吸入涡来完成的——类似于蝙蝠在不到一个身长改变方向。这种被动的推进,大概是虹鳟鱼逆流游泳时所使用的技术。,这可以用来覆