四足步行机器人外文翻译1_爬墙机器人外文翻译
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新兴的运动模式四足机器人气动肌肉用的模型
保德山田，聪西川，伊士达和康夫国芳 研究生信息科学与技术学院，东京大学
大学院情报研究，东京大学
1、动机，问题的陈述，相关工作
动物的进化过程形成了形态和神经系统从彼此相互适应而达到一个在环境中有效的感觉整合。作为一个结果，各种复杂行为的标志，通过能耗效率以及从动态自组织产生互动的身体、神经系统和环境。这些技能是可能的，一方面，因为神经系统利用身体的物理属性，而另一方面通过感官刺激形成体动力学神经力学结构。这构成了一个体现智能[1] [2] [3]的基本属性。
近年来,许多研究已经发展到更好地了解潜在的机制动物的运动技能和如何将它们应用在机器人[4][5]。此外，特定的注意力被集中在中央的模式发生器在仿生机器人[6]中来复制动物运动。举例来说，像狗一样的铁拳系列[7]可以使用感官反馈实现稳定的运动，而类似昆虫的AMOS-WD06[8]可通过利用中央政府模型的混沌特性产生各种复杂的行为。然而，这些机器人不用容易开发的物理身体就能实现运动，是因为身体过于僵化或受线性电磁马达控制。相反，动物的骨骼肌肉系统是一个复杂和冗余的非线性结构形态构成粘弹性肌腱组织材料[9]的肌肉。一些研究都集中在中枢神经系统和他们的身体的研究[10][11] [12]。出于这个原因，我们建议在四足机器人中调查这个问题，以及神经系统随着体动力学系统如何互相感应，以产生各种适应性行为的议案。
2、技术方法
我们设计了一个简单的十分真实的四足机器人去捕捉动物骨骼系统的重要特征，以实现对神经系统的体现。古典驱动器已被麦吉类型气动人工肌肉替换，根据阻尼和弹性，重现一些生物肌肉的非线性特性 [12] [13] [14]（图1）。在真正的肌肉中，传感反馈是通过感觉到的肌肉长度的肌梭和感知肌张力的高尔基腱器官完成的。我们通过使用压力传感器和电位器计算长度和人工肌肉的张力来复制此功能的。
基于生物学的考虑，我们用小原国芳与他的同事们开发的脊髓延髓的系统模型设计了神经系统[15] [16]（图2）。一个的脊髓延髓模式的单一元素组成肌肉、一个α和γ运动神经元、传入感觉中间神经元和神经的振荡器模型。虽然每个元素不直接连接到总体，我们预计机器人的振荡器的非线性光学性质将建立弥散的互感器和动力连接器条件从而产生全身的不同运动（图3）。
图1.麦吉气动人造肌肉的类型。
图2.脊髓延髓模型。箭头和填充圈分别代表兴奋和抑制的连接。
图3.脊髓延髓中体现的模型。
3、结果
在我们的实验中，感觉身体之间的动力学与在同样的一个实验中用自我组织的各种行为模式时尚的脊髓延髓系统修改动态的腿配位顺序之间的相互作用。
例如，机器人需要几个步骤产生动态向前运动（图4左）。然后，通过执行向后运动的几个步骤（图4中），机器人切换到另一个模式。一段时间后，返回到其先前的运动状态和重新生成向前运动（图4右）。在实验中每个关节的角度来看，我们观察到一些相同步和相交错模式（图5）。
我们注意到，这种类型的运动在整个实验中并不经常发生，这表明了系统的动力学性质。例如，在一个实验中，我们观察到的运动仅仅只是向后的。然而，这种行为运动显示了各种模型例如左腿和右腿之间或者两腿交错间的自动相位同步模型。
图4.运动行为的快照
图5.时间序列的关节角度.4、实验
我们进行了一些实验来生成四足动物骨骼机器人的模型（图6和图7）的运动行为。在脊髓延髓的模型中，每个机器人的腿部肌肉是相互隔离的，并且没有直接联系。然而，我们预测，化身将在与环境的相互作用中为弥散互感器创造条件，目的是产生各种自适应行为模式。
人工肌肉从外部压缩机提供空气，我们使用比例压力控制阀控制肌肉内部的压力。机器人安装有中央处理器板运行实时操作系统向压力阀发送的命令和从压力传感器、电位器接收传感器值。一个CPU板和计算神经动力学与外部PC机进行通信。
图6.四足气动肌肉机器人
图7.肌肉的布局。红色部分代表气动人工肌肉，蓝色部分代表的是被动肌肉构
成弹簧。
5、实验的主要见解
在实验中，虽然我们对神经系统的模型使用相同的参数，但是我们还是观察到各种复杂的运动模式。这些运动模式是个别肌肉的动态连接器的结果–即，它们之间并没有直接的连接：通过物理身体和神经系统与环境的动力相互作用。这一动态同步的机制是复杂和与环境相适应的，它探讨了身体的自然运动模式。
在今后的实验中，我们将进一步研究行为的自我组织模式机制所需的身体的性能和有利于构成这一组织模式机制的神经系统。
参考文献
[ 1]R.A.布鲁克斯.“无表征智能，人工智能”.1991,d第3期，卷47，第139–159.[ 2]R.普法倚费尔,C.西契尔.了解情报.麻省理工学院出版社，1999.[ 3]R.普法倚费尔,J.C 本哥德.我们认为身体是如何形成的：一种新的智力观.麻省理工学院出版社，2006年.[ 4]H.木村，K.土屋，A.石黑，H.维特.动物和机器的自相适应运动.高等教育出版社，2005年.[ 5]J.埃尔斯，J.L.戴维斯，A.鲁道.仿生机器人的神经技术.麻省理工学院出版社，2002年.[ 6]A.J.依思皮特，动物和机器人的中枢模式发生器运动控制：审查，神经网络，2008，第4期，21卷，642页–653页.[ 7]H.木村，Y.福冈，A.H.科恩.“适应在地面上动态行走的四足机器人的生物学概念”.国际机器人研究学报，2007, 第5期，26卷，475页–490页.[ 8]S.斯特恩哥如布，M.泰姆，F.沃尔戈特，P.Manoonpong，“自组织适应一个简单的神经电路，使复杂的机器人的行为成为可能”.自然物理学,2009,卷6，页224 –230.[ 9]R.M.亚力山大,H.班纳特-克拉克.“肌肉和其它组织存储的弹性应变能”.自然科学，1977，第5590期，265卷，114页–117.[ 10]R.普法倚费尔，M.伦加雷拉，Y.小原国芳.自组织生物启发的机器人的化身 ”.科学，2007年11月,卷318，页1088-–1093.[ 11 ]A.彼蒂，Y.小原国芳.产生时空动态分布联合转矩模式同步模式发电机，前沿神经机器人，2009，3卷，2号，1页–14.[ 12 ]AR皮蒂，是有关新山志保，与国芳，“创造和调节节奏的控制身体的物理，“自主机器人，28卷，3号，317页–329，2010.[ 13]G柳巷芳草，J.czerniecki，和B纳福，“麦吉人工肌肉：气动执行器与生物力学的情报，在先进的智能机电一体化，1999.诉讼.1999届国际会议预报，1999，页221 –226.[ 14]R.A是有关新山志保，nagakubo，与国芳，“无忌：一个双足跳跃和着陆机器人与人工肌肉骨骼系统的过程中，“参考国际机器人与自动化（互联网内容分级协会2007），罗马，意大利，四月，2007，页2546-2551（–thc5.2）.[ 15]Y国芳和铃木，“动态的出现和适应行为体现为通过耦合混沌领域，“程序.国际参考智能机器人与系统，2004，页2042 –2049.[ 16]Y国芳和美国sangawa，“早期运动的发展从偏序神经体动力学：实验与cortico-spinal-musculosleletal模型，“生物控制论，卷95，页589-–605，2006.
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