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1、仿生蚂蚁机器人 BionicANTs,2015年06月10日, ,课程名称：仿生机器人,2,目录,2,3,4,仿生机器人课程总结,FESTO自动化公司仿生蚂蚁机器人个例分析,仿生蚂蚁机器人的路径规划,1,介绍仿生蚂蚁机器人的由来、设计的原因、用途,蚂蚁机器人的由来？,For the BionicANTs, the engineers have not only taken the delicate anatomy of the natural ant as a role model. For the firsttime, the cooperative behaviour of the cre
2、atures has also been transferred to the world of technology using complex control algorithms. Like their natural role models, the BionicANTs work together under clear rules. They communicate with each other and coordinate both their actions and movements. Each ant makes its decisions autonomously, b
3、ut in doing so is always subordinate to the common objective and thereby plays its part towards solving the task in hand.,Inspired by nature,4,什么是蚂蚁机器人？,为什么要设计蚂蚁机器人？,蚂蚁机器人有什么用途？,1.蚂蚁机器人可完成多项基本机器人功能，如搬运物体、智能识别、信息传递、空间位移。 2.由于具有小巧、灵活等特点，蚂蚁机器人亦可完成普通机器人不能完成的任务，如搜索、排查故障、甚至军事侦查、窃听等，可应用在地震救灾、极端环境探测、刺激未来工厂的
4、生产方式。,大家心中的蚂蚁机器人是怎样的？,Festo自动化公司仿生大蚂蚁,Cooperative behaviour based on a natural model,Combined with practical production,Stimulus for production of the future In an abstract manner, this cooperative behaviour provides interesting approaches for the factory of tomorrow. Future production systems will
5、be founded on intelligent components, which adjust themselves flexibly to different production. Functional integration in the smallest of spaces For the first time, laser-sintered components are subsequently embellished with visible conductor structures in the so-called 3D MID process. The electrica
6、l circuits are attached on the surface of the components.,The constructional layout of BionicANTs,Well-conceived concept: Numerous components, technologies and functions re combined in each ant in the smallest of spaces,11,Development platforms for new technologies and production methods,Ideal platf
7、orm: Research basis for testing new technologies,12,Development platforms for new technologies and production methods,Testing complete systems that are networked Tasks that are now managed by a central master computer will be taken over by the components in future. Festo is continuing with intensive
8、 development of technologies such as precision engineering and microsystem technology. Use of new production technologies 3D Moulded Interconnect Devices feature spatial conductive tracks,which are visibly attached to the surface of shaped parts and act as circuit boards for electronic. Developing t
9、ried-and-tested skills Piezo-ceramic actuators are used mainly as pressure sensors and for energy recovery purposes.,02: Highly integrated components: design and electrical functions in one 03: Precise control: piezo-ceramic bending transducers in leg actuator technology 04: Unique combination: 3D M
10、ID technology on laser-sintered shaped parts,New technology on BionicANTS,New application of piezo technology Piezo elements can be controlled very precisely and quickly. They require little energy, are almost wear-resistant and do not need much space. Highly complex control algorithms for cooperati
11、ve behaviour All actions are based on a distributed set of rules, which have been worked out in advance using mathematical modelling and simulations and are stored on every ant. Camera system and floor sensor working together The ants use the 3D stereo camera in their head to identify the gripping o
12、bject as well as for self-localisation purposes.,蚂蚁机器人路径规划,科学家研制一种蚂蚁机器人模拟真实蚂蚁的运动路径，证实蚂蚁在道路选择方面浪费很少的精力，当它们抵达三岔路口时能够做出准确的心智判断，从几何学角度选 择最佳行进路径。 美国新泽西理工学院生物学家西蒙卡尼尔说：“它们的网络路径外形能够缓解蚂蚁的认知负荷，它们不需要纠结于路径选择，蚂蚁的网络路径外形将确保它们的移动更加有效。”这项发现意味着理解蚂蚁的生物学特征，将有助于更好地实现人类设计运输网络，达到最佳信息传递、货物运输和人员流动。,结论：这份科学研究报告记录了蚂蚁使用一种叫做“信息
13、素”的化学标记物来标示它们的路径。这也是蚁群算法的核心。,蚁群算法,各个蚂蚁在没有事先告诉他们食物在什么地方的前提下开始寻找食物。当一只找到食物以后，它会向环境释放一种挥发性分泌物pheromone (称为信息素,该物质随着时间的推移会逐渐挥发消失，信息素浓度的大小表征路径的远近)来实现的，吸引其他的蚂蚁过来，这样越来越多的蚂蚁会找到食物。有些蚂蚁并没有像其它蚂蚁一样总重复同样的路，他们会另辟蹊径，如果另开辟的道路比原来的其他道路更短，那么，渐渐地，更多的蚂蚁被吸引到这条较短的路上来。最后，经过一段时间运行，可能会出现一条最短的路径被大多数蚂蚁重复着。,蚁群算法的原理,1、蚂蚁在路径上释放信息
14、素。 2、碰到还没走过得路口，就随机挑选一条路走。同时，释放与路径长度有关的信息素。 3、信息素浓度与路径长度成反比。后来的蚂蚁再次碰到该路口时，就选择信息素浓度较高的路径。 4、最优路径上的信息素浓度越来越大。 5、最终蚁群找到最优寻食路径。,蚁群算法的特点,蚁群算法是一种自组织的算法。 当算法开始的初期，单个的人工蚂蚁无序的寻找解，算法经过一段时间的演化，人工蚂蚁间通过信息激素的作用，自发的越来越趋向于寻找到接近最优解的一些解，这就是一个无序到有序的过程。 蚁群算法是一种本质上并行的算法。 每只蚂蚁搜索的过程彼此独立，仅通过信息激素进行通信。所以蚁群算法则可以看作是一个分布式的多agent
15、系统，它在问题空间的多点同时开始进行独立的解搜索，不仅增加了算法的可靠性，也使得算法具有较强的全局搜索能力。 蚁群算法是一种正反馈的算法。 从真实蚂蚁的觅食过程中我们不难看出，蚂蚁能够最终找到最短路径，直接依赖于最短路径上信息激素的堆积，而信息激素的堆积却是一个正反馈的过程。,蚁群算法的特点,蚁群算法是一种正反馈的算法。 从真实蚂蚁的觅食过程中我们不难看出，蚂蚁能够最终找到最短路径，直接依赖于最短路径上信息激素的堆积，而信息激素的堆积却是一个正反馈的过程。 蚁群算法具有较强的鲁棒性。 相对于其它算法，蚁群算法对初始路线要求不高，即蚁群算法的求解结果不依赖于初始路线的选择，而且在搜索过程中不需要
16、进行人工的调整。其次，蚁群算法的参数数目少，设置简单，易于蚁群算法应用到其它组合优化问题的求解。,蚂蚁机器人路径规划实例,爱丽丝蚂蚁机器人路径规划,这款机器人叫做“爱丽丝”，能够释放光线形式的信息素，协调相机和投影仪照亮每个机器人路径的尾迹，另外，每个机器人还装置了两个光线传感器，能够模拟蚂蚁触角确保跟随已建立的路径。,什么是仿生学？ 仿生学是研究生物系统的结构和功能以便为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学 仿生学有什么特点？ 仿生学涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程技术等学科交叉领域 人类研究仿生学的背后说明了什么？ 美国人类与机器认知研究所的科学家Jerry Pratt博士指出，人类一直在试图复制自己,仿生机器人课程总结,仿生机器人学及其特点是什么？ 仿生机器人学是仿生学与机器人学相结合的产物 仿生机器人的结构和感知系统借鉴了自然界相关动物的结构和感知原理 仿生机器人能再现自然界某些动物的部分功能，甚至某些能力远远超过自然界的动物,仿生机器人课程总结,谢谢！,
