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2016年IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议(IROS)大田会议中心

2016年10月9日至14日，韩国大田

利用大连续变形实现软体类毛虫机器人的分散自主控制

Takuya Umedachi1和Barry A. Trimmer2

摘要:用软材料制造机器人为我们提供了创造更健壮、更有适应性的设计的机会:柔软的身体可以适应环境中的复杂形状，它们能够缓冲冲击并储存弹性能量。然而，所面临的挑战仍然是如何有效地控制高度可变形的可移动结构。我们提出一种有用的方法是使用物理耦合的机械-感觉振荡器来实现自治分散控制。我们开发了一个高度可变形的3d打印软机器人(PS机器人)作为平台，以探索控制策略的有效性。在此基础上，介绍了一种完全分散控制的履带式软体模块化机器人。本文重点研究了自治分散控制的优势特性之一，即模块化结构的可扩展性/可收缩性。数值和实验结果表明，简单振荡器(控制器)可以通过使软体结构变形而产生相位梯度，从而实现爬行运动。PS机器人为探索这一策略提供了一个强大的平台，它们可以被推广用于不同的机器人形状和材料属性。

我的介绍。

传统的机器人系统由坚硬的机械部件组成，这些部件可以通过几个自由度的关节相互移动。相比之下，动物的身体主要是由软材料构成的，如肌肉、肌腱和皮肤组织，在三维空间中很容易变形。这使动物有能力储存和释放弹性能量，吸收冲击，并符合复杂形状的环境中的[1]，[2]。在非结构和复杂的环境中，动物的许多强健和适应性动作都表现出柔软的材料。受此启发，许多机器人专家开始在他们的机器人设计中加入软材料，如[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、

[8]。

然而，挑战在于，具有非线性响应和连续变形的高度可变形的软结构很难用基于刚体力学的传统政策来控制。值得注意的是，目前提出的很多软机器人都采用了开环控制(除了少数开创性工作[15]、[14]、[16]、[17])，因为

1 . Umedachi T. Umedachi是东京大学信息科学与技术研究生院的项目助理教授，日本东京，武田大道2-11- 16号，文京区309室，邮编113-0032。takuya。umedachi gmail.com

2 B. A. Trimmer是亨利·布罗姆菲尔德·皮尔森自然科学教授，塔夫茨大学神经力学和仿生设备实验室主任，美国巴里·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福·马德福机在tufts.edu

图1所示。(a)毛毛虫的运动门，Manduca sexta。红色的箭头表示每一帧弯曲变形的峰值，蓝色的虚线表示毛虫抬起腿的部分(可以确认是逆行波)。(b)受卡特彼勒启发而组装的模块化机器人;(c)模块化机器人的分离条件。

不知道什么反馈信息是适当的，以及如何使用它。解决这个问题的一个方法是观察软体动物的控制机制。这些过程已经进化了数百万年，只需要少量的神经元(如蠕虫和昆虫)，或者根本不需要神经系统(如阿米巴原虫)，就能产生有效的运动。在许多情况下，控制是通过机械相互作用和局部分布的信号(电或化学)组织内聚运动的自治分散来实现的。

978 - 1 - 5090 - 3762 - 9/16 /copy;2016年IEEE 31.00美元

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从工程的角度来看，自治的分散控制是非常有用的。它可以提供一些有利的特性，如模块化结构的可扩展性/可收缩性、容错能力和对环境变化的鲁棒性。与集中控制的机器人系统相比，这些特性可以降低开发和商业化的成本，集中控制的机器人系统在特定环境下的性能非常专业，并且针对窄的设计参数进行了优化。由于大多数动物的运动都涉及到节奏产生[9]，因此根据身体参数的变化(如机器人系统的体长、体重和刚度)及其所处的环境来调整动物的节奏行为是非常重要的。

本研究的目标是将柔性机器人技术与分散控制技术相结合，开发出一套可变形机械的系统设计方法。作为实现这一目标的第一步，我们使用了一个高度可控制的动物模型，Manduca sexta作为毛虫状3d打印软机器人(PS robot)平台的灵感来源。仅使用两个驱动器，我们已经表明，有节奏的运动模式可以产生既英寸移动和爬行移动，这是类似于真正的卡特彼勒[10]。在此平台的基础上，我们还引入了物理耦合的机械-感觉振荡器，每个振荡器驱动一个单一的电机-肌腱驱动器作为分散控制系统的软机器人[11]。振子根据由两个执行器产生的力的相互作用而产生的物体变形来改变它们的相位。虽然物体的材料和结构特性是复杂的，但通过监测由此产生的变形的单一参数，有可能产生适当的相位间隙，使其运动。

本文重点研究了模块化结构的可扩展性和可收缩性，并证明了毛虫状的软体数学模型(图2)能够在改变模块数量的情况下产生自适应运动。通过2个模块的可组装机器人原型验证了该方法的可行性(图1(b-c))。该研究为其它软机器人的控制方法提供了新的思路。本文的其余部分组织如下。第二部分介绍了PS机器人的数学模型，并对其机械和分散控制系统进行了描述。第三部分给出了样机的硬件实现和部分重要数据。最后，第四节提出了结论和今后工作的建议。

二世。毛虫状的数学模型

模块化机器人

将毛虫类模块化机器人的2d数学模型置于平面地面上(图2(a))。一个模块由2个质量，质量之间的实时可调弹簧(RTS，将在II-A中解释)和一个相位振荡器来控制RTS的静止长度(图2(b))。模型的身体在外力(包括来自其他模块的力)的作用下发生变形，以模拟真实的毛虫和我们的机器人的柔软的身体

图2所示。(a)毛虫型模块化机器人的原理图(俯视图)。(b)仿真模型的一个模块，由2个质量((i,0)和(i,1))和RTS(实时可调弹簧)组成;请参阅II。A). (c)组装模块。空白圆(质量i,1)可以连接到绿色圆(质量j,0)。(d)腿在质量(质量i,0)上如何抓住地面的示意图。

参数解释

价值

米	质量	0.3 (g)
kRT年代	刚度的即时战略游戏	(可调)
cRT年代	阻尼系数	10
omega; Lmacr;	振荡器的固有频率 Max。静息长度变化的长度	3.14 0.5(厘米)
一个	指定振幅的参数	0.3
sigma;	局部感觉反馈的强度	0.01
kLeg	腿弹簧的硬度	500.0
马蝇	腿的阻尼系数	10
cg	与地面的摩擦系数	10

表我

模型参数

将解释在III)。这是用肌肉——启发被动致动器来实现,RTS,休息可以产生驱动通过改变其长度动态与线性阻尼系数c(可调)僵硬的手。群众之一每个模块(质量,0)有一个引人入胜的机制,连接地面的质量弹簧阻尼(休息长度设置为0 2 d模拟器)。^{RT S RT S} 从图2(b)可以看出，单个模块无法产生有效的运动。

通过机械连接模块可以形成线性的质量链(图2(c))。质量(i, 0)和(i, 1)的位置由以下方程决定:

(1)

,(2)

m是质量,从RTSi F⃗红外热成像S是力,F⃗iLeg是力的连接质量和地面,腿和独联体与地面摩擦系数(假设它粘性力)。_g 模型参数如表1所示。

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A. RTS的驱动力

这个模型的运动是由静止长度变化的rts,这是根据振荡器的相位,改变theta;(0le;theta;lt; 2pi;):_{i i}

(3)

其中Lmacr;和A分别为静息长度变化的最大长度和振幅系数。力从RTS我可以计算出实际长度的RTS, l = |⃗rminus;⃗r |:_{i i,0 i,1}

(4)

其中第一项为RTS (T= (k(lminus;l))的拉伸/压缩，用于局部感觉反馈。_i ^{RT S} _ii请注意，感知值(T)会随着实际长度(l)的变化而变化。这使得附近模块中的振荡器可以通过对软体结构的变形来相互作用。_ii刚度，k，是可调的，以产生逆行波(解释在II-C)。^{RT S}

b .扣人心弦的机制

真实的动物和机器人的腿是通过弹簧-阻尼系统连接和断开质量(i, 0)和基质来建模的。在这个模型中，弹簧的静息长度设为零。其原理图如图2(d)所示。当腿我(附加质量(我,0))控制底物(t),一个弹簧阻尼链接的质量和位置,⃗r (t),生成的模拟。_gripigrip这个弹簧阻尼器代表腿的粘弹性。在夹持衬底时，施加在连接体上的力为:

(5)

式中，kand cis分别为腿的刚度系数和阻尼系数。^{Leg Leg} 当模块释放基板时，力设为零。

腿在真正的毛毛虫抓地力，当他们在接触的衬底和身体部分拉长。相比之下，两腿在“收缩”时松开(如图1(a)所示)。原型的腿功能是一样的(细节将在下一节中解释)。模型真正的卡特彼勒的扣人心弦的机制与这个二维数值模型建立模型的腿开始控制地面当7pi;4 lt;theta;ile;pi;2和释放时地面theta;i gt;pi;2。

C.如何产生逆行波

为了产生爬行和微动运动，反变形波(从尾巴到头部)对真实的履带和机器人都是必要的。为了实现这些振荡模式，许多基于cpg的控制器提出了振荡器之间的自顶向下通信(如[12])。该设计允许设计者实现特定的和期望的振荡模式，但同时，每当机器人遇到不同的环境或身体参数变化时，必须重新设计模式。

(一)

(b)

Assembed两个模块

分开两个模块

(c)

pi;

相位差(rad)

Assembed两个模块

0

分开两个模块

10

20.

30次(s)

40

50

60

距离(cm)

Assemebled两个模块

分开两个模块

-2.5 0

10

20.

30次(s)

40

50

60

-pi;

0

(d)

7.5

5

2.5

0

图3所示。2个模块组装时的数值设置(a);(b)当两个模块分别位于不同位置时。绿色圆圈中的数字表示它的模块号。(c)模块1与模块0在组装和分离两个模块时的相位差。(d) 2个模块组装分离时，质心移动距离远。

相比之下，我们提出了物理耦合的机械-感觉振荡器[13]，[14]，[15]。在以前的工作中，我们证明了逆行波模式可以通过设计沿着身体[11]的“刚度分布”来诱导。振子的动力学可以写成:

(6)

(7)

其中omega;是固有频率和sigma;是一个积极的系数定义本地感觉反馈的强度(在时间和空间都是常数)。omega;值设置为3.14,因为一个运动周期的毛毛虫大约需要1 - 2 (s)。需要注意的是,振荡器不通过身体变形(即除了通信。， RTS的拉伸/压缩)。局部感觉反馈修正相位来减少i。由于反馈，变形波沿着刚度梯度(从较硬到较软的体段)[11]产生。_i这是可以解释的事实，一个较软的RTS可以减少Iby收缩后，附近较硬的RTS收缩(弯曲)。_i 本文进一步研究了该控制方案对模块化机器人结构的适用性。

d数值实验

1)组装和分离两个模块:为了验证模块化机器人系统的适用性，我们首先用2个模块进行了数值实验，并测量了前模块(模块1)和后模块(模块0)在组装或不组装时所经过的距离

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