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机器人引论 第8章仿生机器人 第8章仿生机器人 8 1仿生机器人的特点8 2仿生机器人的研究概述8 3仿生机器鱼8 4四足仿生机器人 8 1仿生机器人的特点 仿生机器人是近十几年来出现的新型机器人 它的思想来源于仿生学 其目的是研制出具有动物某些特征的机器人 仿生机器人是仿生学的先进技术与机器人领域的各种应用的最佳结合 仿生机器人是机器人发展的最高阶段 它既是机器人研究的最初目的 也是机器人发展的最终目标之一 机器人分为第零代原始机器人 第一代示教 工业 机器人 第二代感知 遥控 机器人 第三代智能机器人和第四代仿生机器人 8 2仿生机器人的研究慨述 8 2 1研究现状1飞行机器人飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器 其飞行原理分为 固定翼飞行 旋翼飞行和扑翼飞行 固定翼技术已经成熟 但其翼展在200mm以下时不足以产生足够的升力 目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究 它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理 故被称为 人工昆虫 目前对飞行运动进行仿生研究的国家主要是美国 剑桥大学和多伦多大学也在开展相关方面的研究工作 图2是美国加州大学伯克利分校的研究小组用了4年的时间 基于仿生学原理制造出的世界上第一只能飞翔的 机器苍蝇 机械苍蝇 2陆地仿生机器人机械蜘蛛 美国宇航局 NASA 喷气推进实验室于2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spider pot 装有一对可以用来探测障碍的天线 且拥有异常灵活的腿 它们能跨越障碍 攀登岩石 探访靠轮子滚动前进的机器人无法抵达的区域 壁虎机器人 目前世界上关于仿壁虎机器人的研制还处在初步阶段 真正实现类似壁虎的全空间无障碍运动的机器人还需要时间 机械蜘蛛 壁虎机器人 加州大学伯克利分校RobertFull等人研制的能在干燥环境下实现壁面爬行的仿壁虎机器人的样机 3水下仿生机器人水下机器人又称为水下无人潜器 分为遥控 半自治及自治型 水下机器人是典型的军民两用技术 不仅可用于海上资源的勘探和开发 而且在海战中也有不可替代的作用 鱼类的高效 快速 机动灵活的水下推进方式吸引了国内外的科学家们从事仿生机器鱼的研究 美国 日本等国的科学家们研制出了各种类型的仿生机器鱼实验平台和原理样机 国内的中科院自动化研究所和北京航空航天大学等单位已研制了机器鱼样机 基于鲹科模型的 游龙 系列机械鱼 8 2 2仿生机器人关键技术问题1建模问题仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性 其一般都是冗余度或超冗余度机器人 结构复杂 运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别 且复杂程度更大 2控制优化问题机器人的自由度越多 机构越复杂 必将导致控制系统的复杂化 复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积 要做到 整体大于组分之和 同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力 3信息融合问题信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合 消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾 从而提高系统决策 规划 反应的快速性和正确性 4机构设计问题生物的形态经过千百万年的进化 其结构特征极具合理性 而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的 只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化 才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构 5微传感和微驱动问题微型仿生机器人的开发涉及到电磁 机械 热 光 化学 生物等多学科 对于微型仿生机器人的制造 需要解决一些工程上的问题 如动力源 驱动方式 传感集成控制以及同外界的通讯等 8 2 3仿生机器人发展趋势特种仿生机器人微型化仿生机器人仿形仿生机器人生物仿生机器人 8 3仿生机器鱼 8 3 1鱼类推进理论1鱼类形态描述下图给出了常用的描述鱼体形态的术语 鱼体通常为纺锤形体或扁平形流线体 可以极大的减小形体阻力 鳍对大多数鱼类的游动能力起到决定性的作用 一般来讲 尾鳍提供前向游动的主要动力 中间鳍起平衡作用 而对鳍主要起到转弯和平衡的作用 2鱼类游动方式分类喷射式 乌贼 鱿鱼 水母等依照身体躯干的特殊构造 它们由身体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力 利用动量守恒原理推动身体前进 BCF Bodyand orCaudalFin 推进方式 这种推进方式也被称作尾鳍摆动式 又可分为鳗行式 Anguilliform 鳟行式 Carangiform 和鲉行式 Thunniform 它们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段和尾鳍协调摆动前进 MPF Medianand orPairedFin 推进方式 它主要是利用除了尾鳍之外的一些鱼鳍划动向前推进 如胸鳍 腹鳍 臀鳍 背鳍等 这类鱼较少 大多数的鱼类只是利用这些鳍来保持平衡和控制转向 BCF推进方式 a 鳗行式 b 鳟行式 c 鲉行式 c 鲉行式 又称鲹科结合新月形尾鳍模式 鱼类有灿鱼 鳍鱼 马林鱼等 常有大展弦比的尾鳍 在快速运动中最为高效 海洋中游速最高的鱼类大都采用这种游动方式 a 鳗行式 又称身体波动式 如鳗鱼 水蛇等 它们的游动犹如正弦波形的前进一样 把身体当作推进器 用从头到尾波动身体来游动 其前进单位距离所需推力最小 b 鳟行式 又称鳍科模式 如蹲鱼 鲜鱼等 是最常见的方式 在速度 加速度方面和可操控性上有最好的平衡 据统计 大约只有15 的鱼类采用BCF推进方式以外的其他方式推进 由于MPF推进方式速度慢 效率低 因此我们把研究的重点放在BCF推进方式中在速度 加速度和可操控性上有最好的平衡的鲹科模式 3鲹科类推进机理在有流速流场里的非流线型物体 会沿来流的方向在其后面形成一连串交错而反向的尾涡 即卡门涡街 通过观察 人们发现BCF推进方式中摆动尾鳍后同样有尾涡串的存在 但和卡门涡街恰好相反 称为反卡门涡街 反卡门涡街形成一种类似喷流的流动 这种喷流平行于鱼体前进的方向 产生推力 鱼类之所以能造成如此高效率的推进力量 是由于来自尾鳍整合背后涡流的方式 这些涡流的强度随着尾鳍的力量而增加 但是它们的旋转轴方向一直都是垂直于鱼体前进的方向 也就使形成有效推力的喷流平行于鱼体前进的方向 一个摆动周期产生反卡门涡街的过程 a 尾鳍先以摆动造成一个大涡流 b 迅速的顶端摆动造成一个相反方向的涡流 c 下摆之后的尾鳍使两个涡流相遇 d 相供的两个涡流形成一柱强力的向后喷流 并相互减弱其涡流强度 表示尾流反卡门涡街的参数是斯特劳哈尔数St StrouhalNumber 对于BCF推进方式 斯特劳哈尔数定义为 4鲹科类模式鱼体波模型建立及分析根据对鲹科模式鱼类游动的仿生研究及图像分析 得到的鱼体波特征为一波幅逐渐加大 由头部至尾鳍传播的行波 鱼体波曲线可通过鱼体波波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述 鲹科模式鱼类在推进游动过程中 身体长度上鱼体波波数 即鱼体波波长 鱼体长 鱼体的前部刚度很大 几乎保持刚性 身体波幅限制在身体的后1 3部分 并且在末端达到最大值 鲹科模式鱼类在游动过程中通过尾鳍的运动产生超过90 的推进力 尾鳍的运动是研究的关键 尾鳍运动可视为平动运动和摆动运动的合成 鱼体波使尾鳍产生平动运动 此运动主要产生击水动作 尾鳍绕关节旋转产生摆动运动 此运动主要为尾鳍的击水动作提供合适的攻角 基于以上分析 可将鱼体的前部简化为刚体 由后颈部的摆动运动代替鱼体波产生尾鳍的平动运动 这也有助于在身体的前部安装驱动 控制系统以及检测传感器等 后颈部与尾鳍相连的部位简化为一个旋转的关节 尾鳍则简化为刚性的平板 尾鳍在特定的旋转和平动运动情况下产生最佳的推进性能 8 3 2仿生机器鱼的设计机器鱼是一个复杂的机器人系统 包括机械传动和机电控制两大部分 其中机械系统犹如整个系统的躯体 控制系统犹如整个系统的大脑和神经中枢 因此 它必须具有运动灵活 传动精密的机械本体 结构合理 高效运作的控制系统 以及运算高速 工作可靠的硬件平台 1几种典型机械鱼机构分析UPF 2001机构分析 UPF 2001尾部机构 PF 600机构分析 PF 600尾部机构 VCUUV机构分析 VCUUV内部结构图 ElectronicsAssembly 电子集成单元 HydraulicPowerUnit 水电单元 Free FloodedTail 无血尾巴 TailExostructure 尾巴外壳承载结构 PressureHull 压力船身 Batteries 电池 MainBallast 主压载物 DrivenLinkAssembly 驱动连接集成单元 2机械鱼机械结构设计尾部机械结构设计以两个自由度的尾部推进机构为例进行具体介绍 鱼体外形设计成纺锤体形 其纵轴与铅垂轴之比取4左右 并且体后很快收敛成尾柄 这样的外形可以保持边界层的层流状态 同时不致引起流动分离 尾部机构为平行四连杆机构串连的形式 这样 尾鳍的运动就由两转动关节的运动合成 两个关节运动满足一定的相位跟随关系 产生推力 推进鱼体运动 图中7为刚性的背鳍 设计目的是为了增加鱼体的稳定程度 不产生推力作用 以上结构的优点是 自由度较少 运动控制系统简单 易于实现精确控制 运动对称性好 能够较好模拟蜂科模式鱼类的运动形态 机构简单 传动环节较少 传动线路短 效率高 机构紧凑 易于水下密封 并能保证运动精度 1 鱼体蒙皮2 上托架3 负载腔4 12 18 鱼体填充物5 齿轮6 尾柄关节7 背鳍8 力矩传感器9 尾鳍关节10 尾鳍11 尾鳍伺服舵机13 直流电机14 光电码盘15 电位计16 胸鳍伺服电机17 电源19 配重20 密封环21 胸鳍22 主体托架 机器鱼本体机构图 胸鳍机械结构设计鲹科模式鱼类胸鳍的运动一般包含三个自由度 这样才能保证胸鳍产生三维的力 机器鱼只需进行功能仿生 有以下几种方式实现上浮 下潜运动 在鱼体内内置水箱和泵 通过改变自身重力来改变在水中的浮力 通过胸鳍的上下摆动产生升力 改变尾鳍矢量推进方向 如将尾鳍旋转90度 则原来的转弯运动转化为上浮运动 改变鱼在水中的姿态 即改变机器鱼重心位置 使鱼体与水平面成一定角度 在推进的同时实现了上浮运动 为了实现机器鱼的上浮和下潜运动 设计具有单自由度的翼形胸鳍 采用第二种形式 由伺服电机通过平行四连杆驱动胸鳍 通过改变击水角度实现上浮 下潜运动 8 3 3仿生机器鱼的运动控制机器鱼推进系统是一个二自由度的系统 运动规律可参数化表示 我们将尾部两关节的运动抽象为以下数学模型 1直线运动2转向运动机器鱼具有三种基本的转弯模式 3上浮 下潜运动在机器鱼推进的同时 改变胸鳍的击水角度 通过胸鳍产生的升力实现机器鱼的上升和下潜运动 8 3 4仿生机器鱼控制系统硬件设计机器鱼的控制系统采用模块化设计思想 自下而上的设计思路进行开发 以保证系统开发的可靠性 系统的各个功能模块分开设计 通过模块间的接口来组合成整个系统 机器鱼的控制系统设计主要包括以下内容 a 通信模块 实现上位PC机与下位单片机间的异步串行通讯 实现遥控信号的正确发送和接收 b 电机驱动模块 设计电机驱动电路 利用单片机内部定时器 计数器产生PWM信号 控制机器鱼各关节电机的运动 c 码盘计数电路 设计电机转速检测的正交编码信号检测 旋转方向判断 计数电路 d 信号采集模块 利用A D转换器 采样机器鱼运动中的尾柄位置信号 尾柄力矩信号 机器鱼控制系统总体框图 8 4四足仿生机器人 8 4 1四足仿生机器人总体方案设计1样机设计概况以西北工业大学设计的四足仿生机器人为样例进行讲解 样机采用仿四足哺乳类动物 狗的生理结构 并对其关节进行了简化 四足仿生机器人关节分布图 2机器人运动控制算法目前机器人的运动控制算法可大致分为两类 1 传统规划算法 传统规划算法先对机器人本体建模 运动中确定目标位置和运行速度后需实时地再建立精确的环境模型 在这基础上通过动力学及运动学方程的数值求解 获得各关节在下一时刻的位置信息 该方法适合机器人在结构化环境下的运动控制 具有算法成熟 控制精度高等优点 其缺点是对移动机器人系统建模复杂 计算量大 实时性难以保证 同时在非结构化环境中 很难对环境精确建模 2 仿生控制算法 仿生控制算法是模仿生物的运动机理来实现对机器人的运动控制 常见的有仿生CPG算法 遗传算法 基于行为的控制方法等 仿生CPG算法能够产生稳定的相位关系 实现步态的协调 不需要对环境精确建模 具有算法简单 易于计算机程序化 对地形的适应性强等特点 目前该算法已应用于四足机器人Tekken和Biosbot 同时在仿生机器鱼 机器蛇和双足机器人中已初见成效 遗传算法是对生物进化机制的仿生 其特点是具有高度的并行处理能力 鲁棒性强 易于实现全局优化 特别适用于非线性复杂大系统的优化 基于行为控制的机器人运动由一系列同时发生的简单动作或 能力 组成 通过自组织实现系统的复杂行为 具有即时性和自组织的特点 在非结构化环境中具有良好的适应性 3CPG算法研究动物常见的运动形式有走 跑 跳 泳和飞等 这些运动具有时间和空间对称的周期性运动 被称作节律运动 生物学家普遍认为 动物的节律行为是低级神经中枢的自激行为 由位于脊椎动物的脊髓或无脊椎动物的胸腹神经节中的CPG控制 这种控制方式为机器人的运动提供了一种新的控制方法 即基于CPG的机器人运动控制方法 单个CPG的输出可作为机器人单关节控制的位置 力矩 速度等控制信号 由多个CPG组成的CPG网络则可控制机器人的多关节协调运动 CPG网络具有如下特点 a 自动产生稳定的节律信号 CPG网络可以在缺乏高层命令和外部反馈的情况下自动产生稳定的节律信号 而反馈信号或高层命令又可以对的行为进行调节 b 多关节的协调 网络通过相位锁定 可以产生多种稳定 自然的相位关系使多关节协调运动 从而实现不同的运动模式 c CPG网络易于各类传感器的接入 传感器的信号作为的外部输入 为机器人提供环境信息 d 环境适应性强 e 结构简单 要采用CPG控制算法 需先进行CPG建模 目前已有很多学者通过各种方法来建立CPG模型 其中Matsuoka的神经元振荡器模型得到了广泛的采用 该模型是日本九州工学院的松冈清利通过对生物神经细胞的研究 在漏极积分器微分方程的基础上改进的模型 以该模型为基础的CPG控制方法己经在多个四足仿生机器人中得到了应用 日本电气信息大学的Kimura在Matsuoka神经元振荡器模型的基础上采用两个神经元 对应动物的伸肌和屈肌控制神经元 相互抑制构成振荡器 两个神经元的输出之差作为整个振荡器的输出 Kimura将这个模型应用于其研制的四足机器人Patrush和Tekken 取得了良好的效果 CPG算法为多变量 强耦合 非线性算法 Kimura的CPG振荡器模型 由多个CPG构成的CPG网络有链状和网状两种结构 由四个CPG单元构成的网状CPG网络可用来控制四足机器人的四个骸关节 四足动物通常有四种步态行走 同侧跑 对角跑和奔跑步态 通过网络的相位锁定可以实现这四种步态 四个CPG单元组成的网状CPG网络 8 4 2四