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1、机电控制基础与实践机电控制基础与实践（北航，沈阳自动化所，国防科大，国外）（北航，沈阳自动化所，国防科大，国外）王田苗王田苗 丑武胜丑武胜北京航空航天大学北京航空航天大学机器人研究所机器人研究所蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状探索探索生物学、仿生学、新材料、智能控制等方生物学、仿生学、新材料、智能控制等方面深刻机理。面深刻机理。开展多学科交叉领域的技术研究，通过综合实开展多学科交叉领域的技术研究，通过综合实验平台，推动机械设计、传感器技术、伺服控制、验平台，推动机械设计、传感器技术、伺服控制、人工智能、计算机科学等技术发展。人工智能、计算机科学等技术发展。从事繁重劳动、危险作业、延伸人类大
2、脑与四从事繁重劳动、危险作业、延伸人类大脑与四肢、医疗康复等，服务于社会。肢、医疗康复等，服务于社会。研究意义研究意义手脚，扑翼，游动，蠕动手脚，扑翼，游动，蠕动蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状什么是微小型仿生机器人技术？什么是微小型仿生机器人技术？没有严格定义没有严格定义模仿自然界动物与人的行为，基于微小型机电系模仿自然界动物与人的行为，基于微小型机电系统设计，研究机构、感知、控制与交互的机器人技统设计，研究机构、感知、控制与交互的机器人技术。术。微小型，尺寸相对较小，低功耗，高性能，微机微小型，尺寸相对较小，低功耗，高性能，微机电系统设计电系统设计仿生，模仿自然界动物与人仿生，模仿自然
3、界动物与人机器人，帮助人类完成搬运、焊接、装配等任务机器人，帮助人类完成搬运、焊接、装配等任务的可编程控制机械装置或系统，希望具备感知、规的可编程控制机械装置或系统，希望具备感知、规划、控制、交互的功能划、控制、交互的功能定义定义蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状发展趋势发展趋势l仿生仿生l多样多样l应用应用蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状日本京都大学研制的蛇形搜救机器人“莫伊拉”l仿生机构仿生机构日本东京工业大学研制的废墟搜索机器人蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状北航北航SOLIDSNAKE 蛇形机器人蛇形机器人蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状概述概述n n近几年来，仿生机器人
4、学正近几年来，仿生机器人学正近几年来，仿生机器人学正近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重在机器人领域占有越来越重在机器人领域占有越来越重在机器人领域占有越来越重要的位置。对于障碍物众多、要的位置。对于障碍物众多、要的位置。对于障碍物众多、要的位置。对于障碍物众多、凸凹不平、以及狭窄地形等凸凹不平、以及狭窄地形等凸凹不平、以及狭窄地形等凸凹不平、以及狭窄地形等环境，类似蛇形的机器人有环境，类似蛇形的机器人有环境，类似蛇形的机器人有环境，类似蛇形的机器人有较大的运动优势，可以满足较大的运动优势，可以满足较大的运动优势，可以满足较大的运动优势，可以满足多种用途。多种用途。多种用途。多种用
5、途。n n北京航空航天大学机器人研北京航空航天大学机器人研北京航空航天大学机器人研北京航空航天大学机器人研究所依托在仿生学领域取得究所依托在仿生学领域取得究所依托在仿生学领域取得究所依托在仿生学领域取得的研究成果，结合国内外蛇的研究成果，结合国内外蛇的研究成果，结合国内外蛇的研究成果，结合国内外蛇形机器人的发展现状，发展形机器人的发展现状，发展形机器人的发展现状，发展形机器人的发展现状，发展了了了了SolidSnake SolidSnake 蛇形机器人。蛇形机器人。蛇形机器人。蛇形机器人。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状SOLIDSNAKE IIn nSolidSnake IISolidS
6、nake II蛇形机器人充分考虑蛇形机器人充分考虑蛇形机器人充分考虑蛇形机器人充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的了蛇类生物的运动特点，从仿生学的了蛇类生物的运动特点，从仿生学的了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等角度，结合机器人动力学和摩擦学等角度，结合机器人动力学和摩擦学等角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理的相关理论，建立了基于行为控制理的相关理论，建立了基于行为控制理的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复
7、杂运动形式化解为局部的、简单的复杂运动形式化解为局部的、简单的复杂运动形式化解为局部的、简单的复杂运动形式化解为局部的、简单的运动形式。运动形式。运动形式。运动形式。n n采用模块化设计思路，每个关节均可采用模块化设计思路，每个关节均可采用模块化设计思路，每个关节均可采用模块化设计思路，每个关节均可很容易进行拆卸。机器蛇的很容易进行拆卸。机器蛇的很容易进行拆卸。机器蛇的很容易进行拆卸。机器蛇的8 8个关节个关节个关节个关节整体形成一个高冗余度的结构体，很整体形成一个高冗余度的结构体，很整体形成一个高冗余度的结构体，很整体形成一个高冗余度的结构体，很容易模仿实现蛇体的复杂运动形式。容易模仿实现蛇
8、体的复杂运动形式。容易模仿实现蛇体的复杂运动形式。容易模仿实现蛇体的复杂运动形式。为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人的灵活性和机动性。的灵活性和机动性。的灵活性和机动性。的灵活性和机动性。n n采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的采用轻型耐磨塑料
9、制造蛇形机器人的采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的主要结构，既减轻了蛇体的重量，又主要结构，既减轻了蛇体的重量，又主要结构，既减轻了蛇体的重量，又主要结构，既减轻了蛇体的重量，又降低了加工的成本。降低了加工的成本。降低了加工的成本。降低了加工的成本。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状硬件结构硬件结构n nSolidSnake IISolidSnake II蛇形机器人设有多蛇形机器人设有多项预留位置，如配备局部控制器、项预留位置，如配备局部控制器、位置及力矩侍服器、从动轮锁死位置及力矩侍服器、从动轮锁死装置等配套装置，可实现机器蛇装置等配套装置，可实现机器蛇环境识
10、别和自主运动。在机器蛇环境识别和自主运动。在机器蛇的头部配置有红外线探测头，可的头部配置有红外线探测头，可反馈对环境的监视数据。反馈对环境的监视数据。n n在电路设计上采用在电路设计上采用485485总线联接。总线联接。上位机为上位机为PCPC机控制，通过对总机控制，通过对总线的定时轮询来实现随时插拔关线的定时轮询来实现随时插拔关节。此设计能方便地实现替换任节。此设计能方便地实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆意关节，能根据不同任务随时拆卸卸 安装新的关节，甚至实现带安装新的关节，甚至实现带电插拔，极大的增强了蛇形机器电插拔，极大的增强了蛇形机器人的可靠性和耐用性。人的可靠性和耐用性。蛇形机
11、器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形运动蛇形运动n nSolidSnake 蛇形机器人在计算机的控制下实现了蠕动前进（后退）、游动前进（后退）、侧移、抬头，可在一定程度上实现自主运动。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状扩展实验扩展实验n nSolidSnake SolidSnake II II搭建了完善的软搭建了完善的软硬件开发平台，硬件开发平台，为后续的研究开为后续的研究开发奠定了坚实的发奠定了坚实的基础。基础。n n随着研究的深入随着研究的深入展开，蛇形机器展开，蛇形机器人研究与应用一人研究与应用一定会有更广阔的定会有更广阔的天地。天地。蛇形机器人研究现
12、状蛇形机器人研究现状沈阳中科院自动化所蛇形机器人原理样机沈阳中科院自动化所蛇形机器人原理样机 样机具有模块化、可重构的特点，蛇形机器人原理性样样机具有模块化、可重构的特点，蛇形机器人原理性样机能实现了蜿蜒、伸缩、上坡、跨障碍、侧行、翻滚等运动。机能实现了蜿蜒、伸缩、上坡、跨障碍、侧行、翻滚等运动。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人功能样机蛇形机器人功能样机蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状设计图设计图实物照片实物照片蛇形机器人实验样机蛇形机器人实验样机蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状型控制板型控制板蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状钻洞探查钻洞探查蛇形机器人研究现状蛇形机器
13、人研究现状室内探查室内探查蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状抬头运动抬头运动蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状爬坡运动爬坡运动蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状国防科大蛇形机器人国防科大蛇形机器人蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状n n新型反恐机器人蛇形机器人新型反恐机器人蛇形机器人 模块化、可重组机器人是在蛇形机器人的基础上更进一步，模块化和可重组的结合意味着：机器人具有更好的经济性和可靠性；机器人具有运动形式和功能上的多样性；机器人能适应多种复杂环境，可完成的任务种类更多。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人蛇形机器人 蛇形机器人是一种模仿蛇类蜿蜒运动的仿生蛇形机器人是一
14、种模仿蛇类蜿蜒运动的仿生蛇形机器人是一种模仿蛇类蜿蜒运动的仿生蛇形机器人是一种模仿蛇类蜿蜒运动的仿生机器人，它不同于传统的轮式或足式机器人，机器人，它不同于传统的轮式或足式机器人，机器人，它不同于传统的轮式或足式机器人，机器人，它不同于传统的轮式或足式机器人，实现了类似于生物蛇的实现了类似于生物蛇的实现了类似于生物蛇的实现了类似于生物蛇的“无肢运动无肢运动无肢运动无肢运动”，这是机，这是机，这是机，这是机器人运动方式上的一大进展。器人运动方式上的一大进展。器人运动方式上的一大进展。器人运动方式上的一大进展。 蛇形机器人具有类似蛇的狭长体态，运动方蛇形机器人具有类似蛇的狭长体态，运动方蛇形机器人
15、具有类似蛇的狭长体态，运动方蛇形机器人具有类似蛇的狭长体态，运动方式独特，因此具有着广阔的应用前景式独特，因此具有着广阔的应用前景式独特，因此具有着广阔的应用前景式独特，因此具有着广阔的应用前景蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状模块化、可重组机器人模块化、可重组机器人n n主要功能主要功能 该样机长该样机长该样机长该样机长1.01.01.01.0米左右，由多个结构和功能米左右，由多个结构和功能米左右，由多个结构和功能米左右，由多个结构和功能完全相同的模块构成。完全相同的模块构成。完全相同的模块构成。完全相同的模块构成。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人蛇形机器人n n主要功能主要
16、功能 蛇形机器人自身还携带无线摄像机，可以将现场蛇形机器人自身还携带无线摄像机，可以将现场蛇形机器人自身还携带无线摄像机，可以将现场蛇形机器人自身还携带无线摄像机，可以将现场环境实时传回主控室，控制人员可以无线遥控指挥蛇环境实时传回主控室，控制人员可以无线遥控指挥蛇环境实时传回主控室，控制人员可以无线遥控指挥蛇环境实时传回主控室，控制人员可以无线遥控指挥蛇机器人的运动。机器人的运动。机器人的运动。机器人的运动。蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人蛇形机器人n n主要功能主要功能 该样机长该样机长该样机长该样机长1 1 1 1米左右，每分钟可爬行米左右，每分钟可爬行米左右，每分钟可爬行
17、米左右，每分钟可爬行. . . .米，能做前进、后退、转弯、变速等动作米，能做前进、后退、转弯、变速等动作米，能做前进、后退、转弯、变速等动作米，能做前进、后退、转弯、变速等动作蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状模块化、可重组机器人模块化、可重组机器人n n主要功能主要功能 能组成蛇形构形能组成蛇形构形能组成蛇形构形能组成蛇形构形蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人蛇形机器人n n主要功能主要功能 可在普通路面、草可在普通路面、草可在普通路面、草可在普通路面、草地等环境中爬行地等环境中爬行地等环境中爬行地等环境中爬行蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状蛇形机器人蛇形机器人n n主要
18、功能主要功能 穿上穿上穿上穿上“蛇皮蛇皮蛇皮蛇皮”后还可在水中自由游动后还可在水中自由游动后还可在水中自由游动后还可在水中自由游动蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状模块化、可重组机器人模块化、可重组机器人蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状国内外机器蛇设计特点美国宇航局美国宇航局(NASA) NASA于于1999年开始年开始研究多关节的蛇形机器人研究多关节的蛇形机器人 蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状国内外机器蛇设计特点n n德国人德国人Gavin.H从约从约1997年开始从事蛇形年开始从事蛇形机器人的研究工作，到目前为止共设计并制机器人的研究工作，到目前为止共设计并制作了作了S1,S2
19、,S3,S4,S5五代蛇形机器人，图五代蛇形机器人，图2为为S5 蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状国内外机器蛇设计特点n n德国德国GMD国家实验室也开发出了基于模块式国家实验室也开发出了基于模块式结构和结构和CAN总线的蛇形机器人，其结构为三总线的蛇形机器人，其结构为三维关节维关节 蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状仿生动物（蟒蛇、水蛇、可重构）仿生动物（蟒蛇、水蛇、可重构）蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状理论方法问题，仿生静态与动态模型，复杂模型计算方法，基于理论方法问题，仿生静态与动态模型，复杂模型计算方法，基于传感器变结构方法，往往是非线性、非定常问题，传感器变结构方法，往往
20、是非线性、非定常问题，l多自由度灵巧机构，运动学与动力学，冗余与柔性，高效驱动装多自由度灵巧机构，运动学与动力学，冗余与柔性，高效驱动装置，置，l感知与模式识别技术，内部姿态，外部环境，距离、力觉、触觉感知与模式识别技术，内部姿态，外部环境，距离、力觉、触觉等，特别是视觉问题，等，特别是视觉问题，l嵌入式控制技术：微小型硬件平台，高可靠性软件系统，高性能嵌入式控制技术：微小型硬件平台，高可靠性软件系统，高性能实时学习技术，基于传感器的群体行为智能控制技术，实时学习技术，基于传感器的群体行为智能控制技术，l人机交互技术，通讯，时延，临境与虚拟现实，人机交互技术，通讯，时延，临境与虚拟现实，l微小
21、型机电系统设计、加工、装配，微小型机电系统设计、加工、装配，l微、仿、多、遥、网微、仿、多、遥、网关键技术挑战性研究关键技术挑战性研究 方向方向蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状 主要介绍了微小型仿生技术与机器人基主要介绍了微小型仿生技术与机器人基本内涵、研究意义、关键技术、发展趋势。本内涵、研究意义、关键技术、发展趋势。 嵌入式芯片、微机电系统、新材料等方嵌入式芯片、微机电系统、新材料等方面发展给微小型仿生技术研究带来了机遇。面发展给微小型仿生技术研究带来了机遇。 智能仿生机器人是人类科学研究追求目智能仿生机器人是人类科学研究追求目标，开展这方面研究不仅促进多学科发展，标，开展这方面研究不仅促进多学科发展，而且广泛应用服务于社会。而且广泛应用服务于社会。结束语结束语蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状谢谢 谢谢 大大 家家蛇形机器人研究现状蛇形机器人研究现状
